Research Article，2023-7-5，Science Advances， [IF 13.6]

原文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adf5069

第一作者：侯佳林

通讯作者：王风平，王寅炤

- 摘要 -

近日，上海交通大学王风平教授团队在国际权威期刊Science Advances 杂志上发表了题为 “Taxonomic and carbon metabolic diversification of Bathyarchaeia during its coevolution history with the early Earth surface environment” 的研究论文。该研究通过深入分析深古菌的系统分类、代谢特征和演化历史，修订更新了现有的深古菌物种分类体系，探究了不同深古菌类群的生态地理分布和代谢潜能的差异；并通过分子钟定年方法揭示了深古菌与早期地球的协同演化历史。本论文为研究生命-地球的共演化历史提供了一个极佳的范例，为进一步揭示深古菌地球化学功能和演化提供了科学研究框架，

- 背景 -

深古菌（Bathyarchaeia）是现代地球上丰度最高的微生物类群之一，推测在地球元素循环过程中发挥着重要功能。然而由于难以培养等问题，目前对于深古菌的系统分类仍然较为混乱，对其生态地理分布、代谢功能、起源和演化历史尚缺乏系统研究。

- 结果 -

上海交大海洋地质微生物研究团队长期致力于古菌的生物地质学和地球化学功能研究，在以“深古菌”为代表的古菌研究中取得了一系列创新性成果，如提出并命名“深古菌”作为一支独立的门水平分类单元（Meng et al., ISME J 2014），揭示部分深古菌类群独特的自养产乙酸代谢能力（He et al., Nat Microbiol 2016），首次发现深古菌具有厌氧木质素降解潜能（Yu et al., PNAS 2018）等。

图1 新提出的深古菌物种分类系统（不同颜色表示不同目分类单元）

在这些长期研究基础上，本研究首先通过构建迄今为止最为全面的深古菌基因组数据集，修订并更新了现有的深古菌物种分类系统，将深古菌分为8个目水平分类单元，并分别以中国传统经典神话人物形象对其命名（如图1所示，8个深古菌目分别命名为毕方目、金乌目、玄武目、妈祖目、后土目、无支祁目、朱雀目和白泽目）。基于该新提出的物种分类系统，深入分析了深古菌在不同现代地球环境的生态地理分布，发现除海洋沉积物以外，现代陆地和地热（热泉和热液）生态系统中也同样栖息着多样的深古菌物种，且不同深古菌类群具有明显的物种特异性环境分布特征。进一步的代谢分析表明部分深古菌类群很可能在深部生物圈的一碳化合物循环和黑暗碳固定过程中扮演着之前被忽视的重要角色。

在新提出的系统分类基础上，本研究通过分子钟定年的方法对深古菌起源和演化历史开展了研究。结果显示深古菌的共同祖先大约起源于33亿年前，与太古代原始地球大陆首次露出海平面的时间接近。随后深古菌的主要类群大约在30至25亿以及18亿年前发生了多次大规模的物种分化，分别对应板块运动的起始、大陆扩张以及全球海底火山喷发事件发生的地质历史时期，表明深古菌的起源和演化很可能受到原始地球板块运动的驱动和影响。值得注意的是，木质素降解深古菌类群起源于大约3亿年前，与同期出现的白腐菌和食木甲虫很可能是石炭纪末期全球碳埋藏速率和煤炭储量骤降的原因之一。

本研究在地质历史时间尺度对深古菌在全球碳循环过程中的生态效应进行了拓展，使我们认识到微生物在早期地球表层环境改造以及宜居性的提升中发挥着至关重要的作用，为今后更加深入地探究微生物与地球系统之间的协同演化以及早期生命起源提供了新的思路和方向。

图2 木质素降解深古菌类群、白腐菌和食木甲虫的起源时间与石炭纪末期的碳埋藏速率。

上海交通大学海洋学院王风平教授和生命科学技术学院王寅炤长聘教轨副教授为论文共同通讯作者，生命科学技术学院博士生侯佳林为本文第一作者。海洋学院硕士生朱鹏斐、博士生杨娜、博士后梁乐文，生命科学技术学院博士后余甜甜和牛明杨，加拿大阿尔伯塔大学Kurt Konhauser教授和澳大利亚昆士兰理工大学Ben J. Woodcroft 研究员为本文合作作者。本研究得到了国家自然科学基金（41921006, 92251303, 92051116, 42272354）的资助，同时得到深部生命国际研究中心（IC-DLI）的重要支持。

参考文献

Hou, J. et al. Taxonomic and carbon metabolic diversification of Bathyarchaeia during its coevolution history with early Earth surface environment. Science Advances 9, eadf5069, doi:10.1126/sciadv.adf5069 (2023).

Meng, J. et al. Genetic and functional properties of uncultivated MCG archaea assessed by metagenome and gene expression analyses. ISME J 8, 650-659, doi:10.1038/ismej.2013.174 (2014).

He, Y. et al. Genomic and enzymatic evidence for acetogenesis among multiple lineages of the archaeal phylum Bathyarchaeota widespread in marine sediments. Nature Microbiology, 16035, doi:10.1038/nmicrobiol.2016.35 (2016).

Yu, T. et al. Growth of sedimentary Bathyarchaeota on lignin as an energy source. Proc Natl Acad Sci U S A 115, 6022-6027, doi:10.1073/pnas.1718854115 (2018).

- 作者简介 -

第一作者

上海交通大学

侯佳林

博士

侯佳林，2023年于上海交通大学生命科学技术学院获得博士学位，目前在本校海洋学院继续进行博士后研究工作。主要关注海洋深部生物圈中微生物的多样性、生态功能和演化历史。目前共发表SCI论文17篇，其中以第一作者在 Microbiome 和 Science Advances上发表论文各一篇。

通讯作者

上海交通大学

王风平

教授

王风平，上海交通大学海洋学院特聘教授、深部生命国际研究中心（ICDLI）执行主任。国家基金委杰出青年科学基金获得者，中国微生物生态学会“周集中突出贡献”奖获得者。长期专注于海洋深部生物圈研究，曾三次作为载人深潜科学家深潜海底科考，在国际上引领了海洋深部古菌生态/地球化学功能的研究。目前担任国际微生物生态学会ISME国际董事（International Board）和大使（Ambassador），欧洲海洋科学钻探ECORD 科学装置委员会委员，IODP中国科学委员会委员，中国古生物学会地球生物学分会副理事长，中国地质微生物专业委员会副主任，Frontiers in Marine Sciences, Applied and Environmental Microbiology等多个国际学术期刊副主编和编委。

上海交通大学

王寅炤

副教授

王寅炤，上海交通大学副教授，博士生导师。博士毕业于中国科学院地质与地球物理研究所。主要从事地球环境与微生物协同演化方向的研究。目前主持包括国家自然科学基金面上基金项目、培育项目等3项基金，作为骨干成员参与包括重点项目、重大研究计划等4项基金。共发表文章40余篇，其中以第一/通讯作者在Nature Microbiology, Science Advance, Nature Communication等国际期刊发表论文17篇。近年来在该方向取得一系列重要进展，主要包括1）首次发现细胞内同时合成Fe3O4和Fe3S4趋磁细菌的高多样性类群，及其在早期地球辐射中的响应策略；2）分离培养了难培养趋磁细菌XM-1菌株，引发了生物感磁与光合的进化思考；3）发现全新甲烷代谢古菌类群，其中一类以中国神话人物“哪吒”“女娲”命名，推测具有新的代谢过程；4）发现了新的甲烷代谢关键基因并厘清了烷烃代谢古菌的进化关系，提出“两步式”进化过程。目前担任ISME J和Frontier in Marine Science期刊编委，国际微生物生态委员会（ISME）青年科学家委员会委员，深部生命研究中心执行委员。

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