近日，EON体育4平台王寅炤副教授與海洋EON4王風平教授合作於國際權威期刊《Nature Communications》發表了題為“Globally distributed Myxococcota with photosynthesis gene clusters illuminate the origin and evolution of a potentially chimeric lifestyle”的研究論文。論文作者通過組學大數據挖掘策略，針對光合作用關鍵基因，篩選全球未知光合原核生物。

黏細菌是一類具有潛在捕食和社會行為的原核生物🎪，是多種生態系統中的關鍵類群🙋🏽‍♀️。本研究在全球基因組數據庫中💇🏼‍♀️，發現黏細菌的多個譜系具有完整的光合基因簇🤽‍♀️，具有光合作用潛能，並深入分析了黏細菌基因組的譜系發生和代謝特征。該發現擴大了已知的光合微生物多樣性🚈，對於進一步研究光合作用的起源和演化至關重要🫸，揭示了微生物嵌合型生活方式（光合+捕食）的起源和演化👩🏼。EON体育4平台副教授王寅炤和海洋EON4王風平教授為論文共同通訊作者，EON体育4平台博士生李留洋為本文第一作者📒。海洋EON4博士生黃丹玥🔴、EON体育4平台碩士生胡堯勛👮🏿‍♀️，英國利物浦大學Daniel P. Canniffe博士和研究生Nicola M. Rudling為本文合作作者🐴。

光合作用是一種生物通過復雜的光合系統將光能轉化為自身能量的過程。光合作用對生物地球化學循環至關重要，並且在早元古代時期就已經改變了地球表層和大氣的環境👩🏽‍🎨。據認為，所有現存光合生物的祖先可能是生活在距今約32~35億年前的不產氧光合微生物。兩百多年來，科學家僅在細菌域的八個門中發現過基於葉綠素的光合細菌🦻🏻。黏細菌是細菌域中非常獨特的類群，具有社會化生活方式、捕食能力、子實體形成等特征，同時也是重要的次級代謝產物來源🙆🏽‍♀️。黏細菌在食物網中作為捕食者的角色為人熟知👩🏼‍🍳，在包括海洋、陸地、淡水🙍‍♂️、極地和一些人源環境（比如汙水處理廠）等多種生態系統中起到了關鍵作用。絕大多數已培養的黏細菌類群都可以通過分泌多種次級代謝產物來捕食或者裂解其他細菌、真菌。

圖1  光合黏細菌的全球分布以及光合基因簇的基因排列和譜系發生

通過構建光合微生物基因組數據集，本研究發現黏細菌門多個譜系（至少包含3綱🚛🫔、6科、14屬、18種）都具有完整的光合基因簇📨，編碼著細菌葉綠素合成酶🧑🏻‍🏫、反應中心和捕光系統以及其他關鍵酶。這些光合基因的譜系發生揭示了光合黏細菌的單系起源和垂直遺傳的演化特征。EON体育4平台為其中新發現的綱暫定名為“誇父”💊，取名自中國古代神話“誇父追日”🌖；為其中一個新科暫定名為“後羿”，取名自中國古代神話“後羿射日”；為其他潛在的光合黏細菌譜系暫定名為“羲和”細菌🛍️，取名自中國古代神話“羲和浴日”。分子鐘定年結果指出光合黏細菌可能起源於大約30.9~26.7億年前🏉，具有非常古老的光合營養史🙆‍♀️。代謝特征分析表明，六個科水平的光合黏細菌都具有葉綠素合成途徑中編碼AcsF酶的基因（有氧條件下發揮作用），部分類群同時具有編碼BchE酶的基因（厭氧條件下發揮作用）。同時，一些類群編碼完整的卡爾文循環（還原性磷酸戊糖途徑），表明其自養固碳潛能。因此，EON体育4平台認為光合黏細菌具有多種潛在的營養和能量代謝通路，而且部分類群屬於兼性厭氧細菌。

圖2 光合黏細菌的代謝特征

通過人工合成黏細菌光合色素生物催化過程中的關鍵基因😩🦙，並轉化入已敲除該關鍵基因的變形菌門紫細菌Rhodobacter sphaeroides中⚾️，發現異源表達的黏細菌光合色素合成酶能夠成功催化形成具有活性的光合色素分子，證明該光合色素合成酶基因在黏細菌中也可能執行光合作用的相關功能（圖3）。同時，異源表達的黏細菌類胡蘿蔔素合成關鍵基因在Rhodobacter sphaeroides缺失突變株中也具有催化活性。此外，利用Tara Oceans宏轉錄組數據集，本研究發現光合黏細菌所具有的光合基因在廣泛的地理區域和多樣的生境中均具有較高的表達量，且與非光合基因表達量相比沒有顯著差異。研究推測了黏細菌“光合-捕食-異養”的生活史：在寡營養的環境條件下，這些黏細菌可能進行光合作用以實現二氧化碳的固定；在富營養條件下，黏細菌會采用狼群戰術對其他微生物進行捕食🏢。在變化的環境中，黏細菌會及時調整其生存策略，從而在異養和自養生活方式之間進行切換。

圖3 異源表達黏細菌光合色素合成基因。

(a) Rhodobacter sphaeroides光合色素合成基因敲除突變株✝️、黏細菌光合色素合成基因回補株及野生株的全細胞吸收光譜；(b) HPLC分析Rhodobacter sphaeroides類胡蘿蔔素催化基因敲除突變株及黏細菌類胡蘿蔔素催化基因回補株吸收光譜。

本研究在四個層面上具有重要意義：1）新光合類群的發現擴大了已知基於葉綠色的光合細菌多樣性，即從原先認為的8個細菌門擴大到了9個門🥢；2）新光合類群及其光合基因對於進一步研究光合作用的起源和演化至關重要；3）新光合類群的自養代謝過程對生物地球化學循環可能具有重要意義→🙍‍♀️；4）光合黏細菌的生活史可能啟示了嵌合型生活方式（光合+捕食）的起源和演化。

該成果得到了國家自然科學基金（92051116, 92251303, 91951209, 42272354）和上海市自然科學基金（20ZR1428000）的資助♋️。中國科EON4上海營養與健康研究所生物醫學大數據中心張國慶教授、曹瑞芳、劉婉在數據提交和準備方面為本研究提供了重要支持，並得到水圈微生物組圖譜（MASH）平臺的支撐。本研究同時得到深部生命國際研究中心（IC-DLI）及EON体育4網絡信息中心高性能計算中心的重要支持🧑🏻‍✈️🧽。

論文鏈接🏄：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42193-7