华东师范大学河口海岸学国家重点实验室侯立军研究员和董宏坡研究员团队在红树林湿地发现一类新的古菌门，这类微生物展示了降解芳香烃和烷烃并与脱氮进行耦合的潜能，而且它们在全球广泛分布。相关工作于1月15日以Newly discovered Asgard archaea Hermodarchaeota potentially degrade alkanes and aromatics via alkyl/benzyl-succinate synthase and benzoyl-CoA pathway为题在线发表在Nature旗下著名学术刊物 The ISME Journal (2021, https://www.nature.com/articles/s41396-020-00890-x)。华东师范大学河口海岸学国家重点实验室为该研究成果第一单位。
烷烃和芳香烃在自然界广泛分布，石油和很多活的生物是它们主要的源。这些化合物由于分子结构很不活泼，因此在自然界难以降解，已经成为土壤和沉积物的主要污染源。自然界的微生物可以在有氧或者厌氧条件下对它们进行缓慢降解。由于湿地和海洋沉积物主要处于厌氧环境中，因此在这些生境中，微生物以厌氧降解为主。目前细菌如硫酸盐还原细菌能够通过加成延胡索酸来激活烷烃和芳香烃，生成烷基琥珀酸和苄基琥珀酸，但这个机制仅仅在极少数古菌的纯培养物中被发现。
图1 新发现的Hermodarchaeota在古菌中的进化地位
a 串联的56个核糖体蛋白进化树，同时给出了降解烷烃和芳香烃的关键基因在Asgard超门中的分布。b 16S rRNA 基因进化树。
课题组基于宏基因组拼接技术，从红树林湿地组装出7个高质量的古菌基因组。串联古菌标志蛋白进化分析揭示这些古菌属于一个全新的古菌门，位于最近发现的Asgard 超门之中，研究者提出一个新的名字“Hermodarchaeota”。代谢重构分析发现Hermodarchaeota基因组中包含较为完整的厌氧降解芳香烃和烷烃的代谢途径，特别是含有激活烷烃和芳香烃的关键酶烷基或苄基琥珀酸合成酶以及降解苯甲酸辅酶A的苯甲酸辅酶A还原酶。序列motif和蛋白构象模型分析揭示发现的烷基或苄基琥珀酸合成酶与已经报道的烷基或苄基琥珀酸合成酶高度相似。有趣的是，进化共线性分析发现Hermodarchaeota的烷基或苄基琥珀酸合成酶可能是通过水平基因转移从细菌中获得。转录组分析表明烷基或苄基琥珀酸合成酶和苯甲酸辅酶A还原酶在红树林沉积物中可能表达。此外，在沉积柱垂直剖面上Hermodarchaeota的丰度与沉积物中的苯和甲苯的含量呈现一定相关性。这些数据表明在红树林湿地Hermodarchaeota在降解烷烃和芳香烃方面可能是活跃的。进而，研究者分析了全球1000个左右的宏基因组，在来自各种各样的生境宏基因组中都检测到Hermodarchaeota的16S rRNA基因和苄基琥珀酸合成酶基因，特别是在红树林湿地、海洋沉积物、热液口更加丰富。该研究扩大了古菌的门类，提高了古菌在全球碳氮循环中的地位。
