青藏高原冰川微生物及其基因組資源數據集公布
2022年6月27日，“生物多樣性保護與可持續利用”任務“高原微生物多樣性保護與可持續利用”專題蘭州大學泛第三極環境中心、中國科學院青藏高原研究所及微生物所合作團隊，在國際著名學術期刊《自然-生物技術》（Nature biotechnology）上發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，劉勇勤和中國科學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器，封存了不同歷史時期的微生物。微生物作為冰川的主要生命類群驅動生態系統的碳氮元素循環，并在冰川消融時隨冰川融水向下游釋放。低溫、強紫外輻射等極端環境條件塑造了冰川獨特的物種類型，然而全球變暖導致冰川快速消融，適應冰川環境微生物的多樣性降低，冰川特有微生物資源喪失。
研究團隊系統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、有機質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個宏基因組，及分離自青藏高原冰川的883個細菌基因組，構建了首個青藏高原冰川微生物基因組及基因數據集（TG2G），并在中國國家組學數據百科全書（NODE）平臺進行公開。
TG2G基因集共包括3241個冰川微生物（細菌和古菌）基因組（包括宏基因組裝基因組和純菌基因組），分屬30個門、69個綱下475屬和968種（圖1a）。與極地海洋、地球微生物數據庫和物種分類數據庫中的基因組數據相比，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，具有較強的空間和生境特異性。冰川消融將會加速青藏高原冰川微生物多樣性的損失。
TG2G基因集中15954個基因與次級代謝產物合成相關（圖1b），只有8.4%存在于現有數據庫中，說明其中大量的是功能新穎的次級代謝產物。次級代謝產物指是不直接涉及到生命正常生長、發育或繁殖的有機化合物，但對生物之間的相互作用和環境適應性具有重要作用。萜類合成相關基因是青藏高原基因組數據中多樣性最高的次級代謝產物合成基因類型，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。
青藏高原冰川變形菌、厚壁菌和放線菌攜帶了生物膜合成、細胞運動及細胞毒素合成的相關基因，這是微生物適應冰川環境和微生物與捕食者相互作用機制的一部分，其中部分毒力因子與人類和動植物接觸時可能造成影響，但其風險有待基于這些潛在致病微生物的豐度、致病風險及其與下游生態系統接觸后的相互作用機制進行進一步的評估。396個基因組中的潛在致病因子位于基因移動原件（如質粒和噬菌體）的操控之下（圖1c）。這些移動原件可能加速潛在致病因子在不同細菌中擴散，增加冰川消融時所釋放的微生物對下游生態系統的影響。
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化關系； b. 基因集中的次級代謝產物合成相關基因的分類及其比例； c. 基因集中的移動原件與毒素基因的關聯
TG2G數據集建立了冰川環境微生物的數據處理與比較的標準化流程。當用基因集作為宏基因組測序組裝模板時，可將平均序列組裝比例從68%提高至85%，有效提高測序數據的利用率。同時，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據，獲得了代表215個新種的405個冰川微生物基因組。比較研究后發現青藏高原與北極和阿爾卑斯地區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基因，而雪冰中則具有更多與次級代謝產物合成及輔酶合成相關基因，這可能由不同生境的環境選擇壓力差異驅動。
TG2G數據集是嘗試理解冰川生態系統微生物適應機制、碳氮循環過程、生物資源開發和對下游生態影響評估的第一步，更深入的研究將評估氣候變化對青藏高原冰川微生物及碳循環的影響，進一步增強青藏高原的生態屏障作用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41587-022-01367-2