研究背景

氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea）作为地表系统分布最为广泛的微生物之一，是链接大气、土壤、水圈等多圈层氮素循环的纽带，其介导的氨氧化过程（将氨氧化成亚硝酸盐）对氮素在地球生态系统中的形态转换和流动至关重要。因其在农业生产和气候调节等的重要作用，氨氧化古菌被誉为21世纪的明星微生物之一。在21世纪之前，人们普遍认为氨的氧化主要是由氨氧化细菌完成的。然而，随着分子生物学技术的进步，研究发现环境样品中存在着大量与已知氨氧化细菌显著不同的氨氧化功能基因DNA序列。自2005年David A. Stahl教授实验室分离出第一株氨氧化古菌（Nitrosopumilus maritimus SCM1），研究人员陆续从全球淡水、海水、土壤、热泉等各类生境中分离出不同种类的氨氧化古菌，逐步揭开了氨氧化古菌的神秘面纱。系统、全面地研究氨氧化古菌多样性谱系，是解析其生态分布格局的理论基础，也是厘清地球氮素与生命协同演化的指导框架。目前广泛认为氨氧化古菌在目水平上分为三大类群：Nitrosopumilales、Nitrososphaerales、Ca. Nitrosocaldales。然而，深入分析环境宏基因组样品发现，尚有部分遗传信息无法归类到传统的氨氧化古菌谱系，这对已有氨氧化古菌的分类学提出了新的挑战。

研究结果

本研究在传统氨氧化古菌三大类群的分类基础上，发现了第四个单独的类群，并命名为Candidatus Nitrosomirales（图1）。从生境分布上，通过约30万个环境样品的数据扫描，发现Ca. Nitrosomirales的分布极为广泛，涵盖了陆地和海洋生态系统，尤其是在陆地地下水和深海海绵共生的氨氧化古菌群落中丰度较高（Nitrosomirale命名中“mirus”是amazing的意思，突出了这一支惊人的广泛生境分布）。从代谢潜能上，Ca. Nitrosomirales具备使用甲酸作为电子供体和硝酸盐作为电子受体的相关基因，这拓展了关于氨氧化古菌只能利用氨氮作为电子供体和氧气作为电子受体这一代谢路径的传统认知，Ca. Nitrosomirales可能有更多样的能量代谢策略以适应缺氧或缺氨环境。从进化路径上，本研究发现四个氨氧化古菌的分支谱系都跨越了陆地和海洋生境，Ca. Nitrosomirales还跨越了高温和常温的生境。这些证据表明氨氧化古菌的物种进化路径不止传统认识的单一生境扩张和进化途径。基于上述发现，本研究构建了一个系统的氨氧化古菌谱系框架，为氨氧化古菌的生态分布规律和环境适应机制提供了新的见解。

研究团队

该论文第一作者为力量体育平台郑越副教授和南京农业大学王保战教授，通讯作者为南京农业大学蒋建东教授、美国佛罗里达大学Willm Martens-Habbena助理教授和美国俄克拉荷马大学秦玮助理教授，共同作者还包括力量体育平台王大志教授、张瑶教授和李倩博士生，南京农业大学高萍博士生，俄克拉荷马大学周集中教授、宁大亮博士和陶庆博士生，华盛顿大学David A Stahl教授、Mari-K H Winkler教授和Anitra E Ingalls教授，美国国立卫生研究院阳奕琰博士，青岛大学苏晓泉教授，中国科学院城市环境研究所赵峰研究员，深圳大学李猛教授，以及南方科技大学张传伦教授和徐步博士。

论文来源及链接

Yue Zheng, Baozhan Wang, Ping Gao, Yiyan Yang, Bu Xu, Xiaoquan Su, Daliang Ning, Qing Tao, Qian Li, Feng Zhao, Dazhi Wang, Yao Zhang, Meng Li, Mari-K H Winkler, Anitra E Ingalls, Jizhong Zhou, Chuanlun Zhang, David A Stahl, Jiandong Jiang, Willm Martens-Habbena, Wei Qin, Novel order-level lineage of ammonia-oxidizing archaea widespread in marine and terrestrial environments, The ISME Journal, Volume 18, Issue 1, January 2024, wrad002.

https://doi.org/10.1093/ismejo/wrad002

供稿｜郑越、王保战、秦玮

编辑｜朱佳

排版｜陈蕾

审核｜万显会、张瑶