华东师大科研团队首次发现位于原奇古菌门中的一类新型甲烷古菌
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联合澳大利亚昆士兰理工大学、加拿大哥伦比亚大学等单位在我国红树林湿地与印度尼西亚火山湖中首次发现一类位于原奇古菌门下含有电子传递链的甲烷古菌，这类微生物拥有利用与膜结合的电子传递链将甲基化合物还原为甲烷的代谢潜力，而且它们在全球的缺氧沉积物环境中广泛分布，该研究扩大了生源性甲烷产生菌中的种类，对于辨析大气甲烷的源以及评估全球甲烷通量有着重要意义。相关工作于7月9日以Expanding the phylogenetic distribution of cytochrome b-containing methanogenic archaea sheds light on the evolution of methanogenesis为题在线发表在Nature旗下学术刊物 The ISME Journal (2022,https://www.nature.com/articles/s41396-022-01281-0)。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。
甲烷是一种重要的温室气体，自工业革命开始以来，其在大气中的浓度增加了一倍以上，对地球气候产生了深远的影响。碳同位素研究表明，由湿地和农田的甲烷古菌释放的甲烷是大气甲烷浓度快速增加的主要原因之一。甲烷古菌（Methanogens）是生源性甲烷的唯一来源，其产量约占全球甲烷排放的74%。根据能量产生系统的不同，所有的甲烷古菌可以分为两大类：含有b型细胞色素电子传递链的甲烷菌和不含有电子传递链的甲烷菌。在纯培养的产甲烷菌中，含有b型细胞色素电子传递链的甲烷菌具有更广泛的底物范围。此外，由于使用了高效的与膜结合的电子传递链，因此含有b型细胞色素的甲烷菌也具有更高的生长产量。目前发现的所有具有b型细胞色素电子传递链的产甲烷菌仅存在于广古菌超门（Euryarchaeota superphylum）的Halobacteriota门中，因此科学家普遍认为含有b型细胞色素电子传递链的产甲烷菌起源于广古菌超门内部。
课题组基于宏基因组学组装技术，从我国红树林湿地和印度尼西亚火山湖恢复出7个高质量的古菌基因组。基因串联古菌标志蛋白的系统发育分析揭示了这些古菌属于一个全新的古菌目：甲基古菌目Methylarchaeales，位于Thermoproteota古菌门中，与氨氧化古菌Nitrososphaerales形成姐妹分支。代谢重构分析发现Methylarchaeales基因组中具有含b型细胞色素（HdrE）电子传递链和以氢气和甲酸为电子供体将甲基化合物还原为甲烷的代谢途径。蛋白跨膜区，基因结构、motif分析和蛋白构象模型分析揭示了Methylarchaeales的b型细胞色素（HdrE）与经典的广古菌超门中的产甲烷模式菌Methanosarcina barkeri的b型细胞色素高度相似。使用系统发育和分子演化模型分析了目前发现的所有甲烷代谢菌甲基辅酶M还原酶和古菌的b型细胞色素进化历史，研究表明具有b型细胞色素电子传递链的甲烷古菌可能在Thermoproteota门或者Halobacteriota门的共同祖先中已经出现，大约发生在35-40亿前的太古宙早期。太古宙的海洋是厌氧的，包含着丰富的来自火山喷发产生的二价铁离子，这能够为甲烷菌合成亚铁血红素（细胞色素的辅基）提供充足的原材料，同时，火山喷发产生的二氧化碳、氢气和有机物也为甲烷菌的生长提供了充足的碳源和能源。
进而，课题组使用了标志基因追踪的方式分析了全球300多个宏基因组数据，在来自各种各样的缺氧生境宏基因组中都检测到Methylarchaeales的16S rRNA基因和甲基辅酶M还原酶基因；它们在红树林湿地、火山湖沉积物中更为丰富。该研究通过发现一个全新的古菌目Methylarchaeales，扩大了甲烷菌和古菌的门类，为认识地球上生命进化的过程和地球的环境演化历史提供了基因组资料。
