美国夏威夷大学（University of Hawaii）Daniel K. Inouye微生物海洋学中心Dominique Boeuf、Edward F. DeLong等人于2021年08月13日在Microbiome发表题为《Metapangenomics reveals depth-dependent shifts in metabolic potential for the ubiquitous marine bacterial SAR324 lineage》的文章。

关键词：海洋微生物组、微生物生态学、生态型、全基因组、宏基因组、宏转录组、浮游生物，深海、光能异养生物、化学自养

该研究以更好地确定整个海洋水体中的SAR324全基因组为目的，在北太平洋副热带环流（NPSG）ALOHA站（22.75°N, 158°W：长期寡养生境评估）进行了从表层到深渊的综合多组学研究，从水面到深渊（-4000米）的整个水体中采样，构建了一个局部相关的SAR324单细胞扩增基因组(single-cell amplified genomes，SAGs)，以比较、分析和探索这一普遍存在群体的基因组特征和代谢能力。通过SAR324 SAGs基因组图谱、时间分辨的宏基因组深度剖面、高频拉格朗日宏基因组和宏转录组二十四小时调查，结合时空解析的单细胞扩增基因组（single-amplified genome）、宏基因组（metagenomic）和宏转录组（metatranscriptomic）数据集，为评估SAR324种群的生态提供了环境和生物学背景，并揭示了关键代谢潜力的时空变异性。

研究思路

研究背景

海洋微生物群在全球碳循环中发挥着关键作用，是海洋内部碳和能量转化和循环的核心。SAR324是δ变形菌属（Deltaproteobacteria）的一个普遍存在，但人们对它知之甚少，它栖息在整个水体，从海洋表层水域到深海内部。虽然在阐明SAR324在黑暗海洋中的潜在代谢特性方面取得了一些进展，但对这一类群在透光层和朦胧区域的生态学和代谢能力知之甚少。为了研究SAR324进化支的比较基因组学、生态学和生理潜力，我们在北太平洋副热带环流（地球上最大的生物群落之一）的地表水到深海的生物中，研究了该进化支的关键基因组特征和代谢途径的分布和变异性。

研究方法

利用了一种泛基因组生态学方法，结合了时空解析的单细胞扩增基因组（single-amplified genome）、宏基因组（metagenomic）和宏转录组（metatranscriptomic）数据集。

研究结果

数据显示SAR324进化支具有丰富的基因组多样性，具有明显的深度和时间分布，可以明确区分生态型。系统基因组亚分支的描述、环境分布、基因组特征的相似性和代谢能力显示出很强的一致性。本研究中描述的四个SAR324生态型在其特定生境的代谢潜力方面显示出显著的差异。生活在黑暗或黄昏的海洋中的生态型具有与硫基化能自养生活方式一致的基因组特征和代谢能力。相反，那些生活在阳光照射下的海洋中的生物显示出更高的可塑性能量相关代谢途径，支持一种假定的光异养生活方式。在表层SAR324生态型中，我们观察到两种质子泵浦的视紫红质，以及基于类黄视紫红质捕光蛋白的活性光异养的基因组、转录组学和生态学证据。

研究结论

结合泛基因组学和宏基因组学和宏转录组学分析，发现SAR324细菌分支在垂直分布、基因组组成、代谢潜力和预测生活方式策略等方面存在显著差异。这些结果突出了跨环境梯度的宏基因组学方法的效用，用于解释复杂微生物群落中特定系统发育分支的功能和生态特征的特性和变异。

论文主要图表

图1. SAR324在ALOHA站的局部泛基因组

A, Pangenome。组成泛基因组的群体基因组中蛋白质直系同源组的排列。没有大量宏基因组测序的群体基因组(E)被删除，只保留局部相关基因组。彩色条表示在种群基因组中存在一种蛋白质。群体基因组已根据ANI分类(D)和深度分布(E)所建议的子枝/生态型定义进行了着色。B,通过对SAR324泛基因组中直系同源基团频率之间的欧氏距离进行Ward分类，对蛋白质直系同源基团进行排序。分支根据频率被着色:来自核心基因组(存在于所有群体基因组中的基因)的直系同源组为红色;与A子枝共通的直系同源类群为黄色，B子枝为绿色，C、D、E子枝为蓝色;单子(群体基因组中唯一的蛋白质)是灰色的。C,按群体基因组ANI分类排序的群体基因组间平均核苷酸同一性的正方形热图。从70到100%的一致性。D,基于群体基因组间ANI距离平均链接的分层上升分类。E, 从ALOHA站跨水柱的sag采样深度中，通过宏基因组读长种群基因组平均覆盖率。F, 从ALOHA站跨水柱的sag采样深度中，通过宏基因组读长的蛋白质直系同源基团的平均覆盖率。

图2. SAR324生态型在ALOHA的分布

A,SAR324生态型按深度的平均分布。从HOT时间序列中读长的宏基因组覆盖的SAR324群体基因组已按生态类型、深度和时间序列的日期进行了平均。B,SAR324生态型随时间的平均分布。从HOT时间序列中读长的宏基因组覆盖的SAR324群体基因组已按生态类型和时间序列的深度日期平均。

图3.SAR324代谢途径在ALOHA站的分布

来自HOT时间序列的宏基因组中代谢途径深度分布的分层聚类热图(蓝色)。随时间分布的热图已用紫色覆盖。每个路径的深度和时间分布从0缩放到1。每个路径的平均覆盖深度用红色显示。根据路径簇的相对丰度峰值的深度，从表面的黄色到深处的深蓝色，颜色背景被应用到路径簇上。

图4.SAR324关键酶在ALOHA站群体基因组和宏基因组中的分布

群体基因组中编码关键酶的基因以黑色表示。存在于单个子枝中的酶按其子枝着色。蛋白质的深度分布以红色阴影显示;分布从0(白色)到1(红色);没有宏基因组覆盖的蛋白质为深灰色。

图5.HOE-legacy cruise II时间序列中宏基因组和变转录组中黄嘌呤样蛋白(黑色)和变形视紫红质蛋白(灰色)的Diel平均覆盖率(下)和转录(上)。灰色的阴影显示夜间时间。

论文ID

原名：Metapangenomics reveals depth-dependent shifts in metabolic potential for the ubiquitous marine bacterial SAR324 lineage

译名：泛基因组学揭示了普遍存在的海洋细菌SAR324谱系的代谢潜力的深度依赖变化

期刊：Microbiome

IF：14.650

发表时间：2021.08.13

通讯作者：Dominique Boeuf；Edward F. DeLong

通讯作者单位：美国夏威夷大学Daniel K. Inouye微生物海洋学中心

DOI号：10.1186/s40168-021-01119-5

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