青藏高原冰川微生物及其基因組資源數(shù)據(jù)集公布
2022年6月27日，“生物多樣性保護(hù)與可持續(xù)利用”任務(wù)“高原微生物多樣性保護(hù)與可持續(xù)利用”專題蘭州大學(xué)泛第三極環(huán)境中心、中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所及微生物所合作團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然-生物技術(shù)》（Nature biotechnology）上發(fā)表了青藏高原冰川微生物基因資源的最新研究成果。劉勇勤為本研究第一作者，劉勇勤和中國(guó)科學(xué)院微生物研究所駱迎峰副研究員為本研究共同通訊作者。
青藏高原冰川是微生物的天然存儲(chǔ)器，封存了不同歷史時(shí)期的微生物。微生物作為冰川的主要生命類群驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)的碳氮元素循環(huán)，并在冰川消融時(shí)隨冰川融水向下游釋放。低溫、強(qiáng)紫外輻射等極端環(huán)境條件塑造了冰川獨(dú)特的物種類型，然而全球變暖導(dǎo)致冰川快速消融，適應(yīng)冰川環(huán)境微生物的多樣性降低，冰川特有微生物資源喪失。
研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)論述了青藏高原冰川表面雪、冰、冰塵（散落在冰川表面由礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和微生物組成的聚合體）中微生物多樣性和功能。基于青藏高原21條冰川85個(gè)宏基因組，及分離自青藏高原冰川的883個(gè)細(xì)菌基因組，構(gòu)建了首個(gè)青藏高原冰川微生物基因組及基因數(shù)據(jù)集（TG2G），并在中國(guó)國(guó)家組學(xué)數(shù)據(jù)百科全書（NODE）平臺(tái)進(jìn)行公開。
TG2G基因集共包括3241個(gè)冰川微生物（細(xì)菌和古菌）基因組（包括宏基因組裝基因組和純菌基因組），分屬30個(gè)門、69個(gè)綱下475屬和968種（圖1a）。與極地海洋、地球微生物數(shù)據(jù)庫(kù)和物種分類數(shù)據(jù)庫(kù)中的基因組數(shù)據(jù)相比，88.3%-100%的青藏高原冰川微生物為潛在新種，且以主要分布在單一冰川的特有種為主，具有較強(qiáng)的空間和生境特異性。冰川消融將會(huì)加速青藏高原冰川微生物多樣性的損失。
TG2G基因集中15954個(gè)基因與次級(jí)代謝產(chǎn)物合成相關(guān)（圖1b），只有8.4%存在于現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中，說明其中大量的是功能新穎的次級(jí)代謝產(chǎn)物。次級(jí)代謝產(chǎn)物指是不直接涉及到生命正常生長(zhǎng)、發(fā)育或繁殖的有機(jī)化合物，但對(duì)生物之間的相互作用和環(huán)境適應(yīng)性具有重要作用。萜類合成相關(guān)基因是青藏高原基因組數(shù)據(jù)中多樣性最高的次級(jí)代謝產(chǎn)物合成基因類型，可能與微生物合成色素以抵御紫外輻射、捕獲光能等需求有關(guān)。
青藏高原冰川變形菌、厚壁菌和放線菌攜帶了生物膜合成、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)及細(xì)胞毒素合成的相關(guān)基因，這是微生物適應(yīng)冰川環(huán)境和微生物與捕食者相互作用機(jī)制的一部分，其中部分毒力因子與人類和動(dòng)植物接觸時(shí)可能造成影響，但其風(fēng)險(xiǎn)有待基于這些潛在致病微生物的豐度、致病風(fēng)險(xiǎn)及其與下游生態(tài)系統(tǒng)接觸后的相互作用機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)估。396個(gè)基因組中的潛在致病因子位于基因移動(dòng)原件（如質(zhì)粒和噬菌體）的操控之下（圖1c）。這些移動(dòng)原件可能加速潛在致病因子在不同細(xì)菌中擴(kuò)散，增加冰川消融時(shí)所釋放的微生物對(duì)下游生態(tài)系統(tǒng)的影響。
圖1 青藏高原冰川微生物基因集概況
a. 獲得的宏基因組裝基因組(MAG)和純菌基因組的物種分類和進(jìn)化關(guān)系； b. 基因集中的次級(jí)代謝產(chǎn)物合成相關(guān)基因的分類及其比例； c. 基因集中的移動(dòng)原件與毒素基因的關(guān)聯(lián)
TG2G數(shù)據(jù)集建立了冰川環(huán)境微生物的數(shù)據(jù)處理與比較的標(biāo)準(zhǔn)化流程。當(dāng)用基因集作為宏基因組測(cè)序組裝模板時(shí)，可將平均序列組裝比例從68%提高至85%，有效提高測(cè)序數(shù)據(jù)的利用率。同時(shí)，TG2G的分析流程也可用于與全球冰川微生物基因組的比較研究。研究進(jìn)一步用流程分析了北極和阿爾卑斯冰川微生物宏基因組數(shù)據(jù)，獲得了代表215個(gè)新種的405個(gè)冰川微生物基因組。比較研究后發(fā)現(xiàn)青藏高原與北極和阿爾卑斯地區(qū)冰川微生物群落組成具有顯著差異，青藏高原和北極冰川藻類（綠藻和紅藻）相對(duì)豐度類似，但均顯著低于阿爾卑斯。冰塵富集了核酸與脂類代謝合成的相關(guān)基因，而雪冰中則具有更多與次級(jí)代謝產(chǎn)物合成及輔酶合成相關(guān)基因，這可能由不同生境的環(huán)境選擇壓力差異驅(qū)動(dòng)。
TG2G數(shù)據(jù)集是嘗試?yán)斫獗ㄉ鷳B(tài)系統(tǒng)微生物適應(yīng)機(jī)制、碳氮循環(huán)過程、生物資源開發(fā)和對(duì)下游生態(tài)影響評(píng)估的第一步，更深入的研究將評(píng)估氣候變化對(duì)青藏高原冰川微生物及碳循環(huán)的影響，進(jìn)一步增強(qiáng)青藏高原的生態(tài)屏障作用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41587-022-01367-2