綠彎菌門因具備獨特的3-羥基丙酸雙循環（3-hydroxypropionate bicycle, 3-HP）途徑來固定CO2而為人們所熟知，也是一個代謝多樣且處于深度分支的細菌門類，在地球生物地球化學循環中扮演著重要的角色。盡管它們在環境中分布廣泛且豐度較高，但是基于分子生態學的研究結果發現，尚有大量綠彎菌類群仍是未培養狀態，結合獲得這個類群純培養的困難性，限制了我們對其功能多樣性的深入了解，使得利用不依賴純培養的技術手段來研究這個門類顯得十分必要!
中山大學生命科學學院李文均教授團隊以印度古吉拉特邦和馬哈拉施特拉邦的熱泉為研究樣點，利用綠彎菌門特異探針基于熒光原位雜交發現樣品中綠彎菌門的形態為棒狀或者球棒狀（圖1a），與其他綠彎菌的形態相似。基于宏基因組學技術重構了17個高質量的綠彎菌基因組，系統發育分析顯示它們可能是新屬或者新種級別（圖1b）。功能分析顯示其中一個基因組編碼了不產氧光合作用的基因（圖2），且可能是通過水平基因轉移（Horizontal Gene Transfer, HGT）的方式從變形菌門或者綠菌門獲得，與前期研究發現綠彎菌門的光合作用可能由HGT驅動的結論一致。除了3-HP途徑外，綠彎菌還利用卡爾文循環以及還原性乙酰輔酶A途徑進行二氧化碳固定。本研究新獲得部分類群基因組也攜帶這兩個途徑的關鍵基因，但是本研究并沒有在其中發現HGT的信號。本研究基因組涉及其他潛在關鍵代謝還包括：同化硫酸鹽還原（sat, cysC和sir）、異化硫酸鹽還原（dsrA和dsrB）、異化硝酸鹽還原（narGHI和nrfAH）、尿素降解（ureABC）和一氧化碳氧化（coxSML和cooSF）等（圖2），這些結果極大的拓展了我們對于熱泉生境綠彎菌門代謝多樣性的認識。此外，本研究不同類群基因組還編碼鞭毛和趨化相關基因，這暗示它們具備游動能力，以及大多數基因組攜帶熱激蛋白和分子伴侶相關基因，使得它們得以在高溫環境保持蛋白穩定以維持細胞的生命活動。
圖1 a) 熱泉樣點地理位置以及綠彎菌門熒光原位雜交分析；b) 基于16個分子標記蛋白構建的綠彎菌門系統發育樹
圖2 本研究基因組的部分關鍵代謝
近日，該成果以“Metagenomic analysis further extends the role of Chloroflexi in fundamental biogeochemical cycles”為題發表于環境科學與生態學期刊Environmental Research。生命科學學院博士后Manik Prabhu Narsing Rao、羅振豪和董周焱為本論文的共同第一作者，李文均教授和河南師范大學的聶國興教授為共同通訊作者，中山大學為該成果的第一完成單位。這項工作得到了廣東省重點領域研發計劃項目（2018B020206001）和國家自然科學基金 (91951205)的資助。