mLife:首次从基因进化的角度揭示了栖热菌群在水热系统脱氮中的重要作用

生物脱氮过程是生物地球氮循环的重要环节。据报道，栖热菌群是陆地温泉生境中重要的异养反硝化参与者。但对栖热菌脱氮基因的功能和进化的研究并不深入，而且由于栖热菌类群容易受到外源基因的干扰，所以栖热菌是否普遍具有脱氮功能还存在争议。对栖热菌反硝化基因的研究将有助于理解栖热菌在反硝化过程中的作用，拓展对温泉氮循环的认识。

中山大学生命科学学院李文军教授团队首次揭示了不完全反硝化在栖热菌群体中普遍存在，并表明该途径使其能够适应热液环境中常见的缺氧或缺氧条件。该工作拓展了对栖热菌不完全反硝化途径进化的认识，证明了栖热菌是水热环境中重要的异养反硝化菌，为水热环境中氮循环的研究奠定了基础。

通过比较基因组分析，团队发现瑟姆斯组基因组大小在2.02 MBP到2.56 MBP之间，泛基因组包含6992个基因家族，其中核心基因家族1027个(图1)；此外，COG功能注释的结果表明Thermus群具有非常相似的功能范畴。因此，虽然栖热菌是一个典型的物种，其分离位点差异较大，但其整体功能相对保守。

图1栖热菌组的比较基因组分析结果

为了探索栖热菌的反硝化功能基因，团队进一步对栖热菌的反硝化基因进行了对比分析。结果表明，除nosZ基因外，反硝化基因普遍存在于栖热菌类群中(图2)。此外，本研究还分析了栖热菌不完全反硝化过程中的关键基因narG、nirK、nirS和norB的进化。结果表明，narG、nirS和norB基因与nirK基因具有不同的进化历史。结合基因序列位置关系，证明栖热菌的不完全反硝化功能是在栖热菌目早期进化中获得的，这些基因在很大程度上属于垂直遗传(图2)。这意味着不完全脱氮功能普遍存在于栖热菌群中。

图二。栖热菌属反硝化基因的获得

thermus的比较基因组分析的研究结果提供了对一种不可能的否认发现途径的进化史的见解，最近发表在学术期刊mLife上。中山大学生命科学学院著名副研究员焦，连正汉博士和博士是论文的第一作者，美国内华达大学李文军教授和Brian P. Hedlund教授是论文的合著者。中山大学是第一个完成这项成果的单位。本研究工作得到了国家水圈微生物驱动地球元素循环机制重点研究项目和国家自然科学基金面上项目的支持。