揭示深古菌与早期地球协同演化历史

深古菌（Bathyarchaeia）是现代地球上丰度最高的微生物类群之一，推测在地球元素循环过程中发挥着重要功能。然而由于难以培养等问题，目前对于深古菌的系统分类仍然较为混乱，对其生态地理分布、代谢功能、起源和演化历史尚缺乏系统研究。

深部生命国际研究中心团队长期致力于古菌的生物地质学和地球化学功能研究，在以“深古菌”为代表的古菌研究中取得了一系列创新性成果，如提出并命名“深古菌”作为一支独立的门水平分类单元（Meng et al., ISME J 2014），揭示部分深古菌类群独特的自养产乙酸代谢能力（He et al., Nat Microbiol 2016），首次发现深古菌具有厌氧木质素降解潜能（Yu et al., PNAS 2018）等。

图1 新提出的深古菌物种分类系统（不同颜色表示不同目分类单元）

在这些长期研究基础上，本研究首先通过构建迄今为止最为全面的深古菌基因组数据集，修订并更新了现有的深古菌物种分类系统，将深古菌分为8个目水平分类单元，并分别以中国传统经典神话人物形象对其命名（如图1所示，8个深古菌目分别命名为毕方目、金乌目、玄武目、妈祖目、后土目、无支祁目、朱雀目和白泽目）。基于该新提出的物种分类系统，深入分析了深古菌在不同现代地球环境的生态地理分布，发现除海洋沉积物以外，现代陆地和地热（热泉和热液）生态系统中也同样栖息着多样的深古菌物种，且不同深古菌类群具有明显的物种特异性环境分布特征。进一步的代谢分析表明部分深古菌类群很可能在深部生物圈的一碳化合物循环和黑暗碳固定过程中扮演着之前被忽视的重要角色。

在新提出的系统分类基础上，本研究通过分子钟定年的方法对深古菌起源和演化历史开展了研究。结果显示深古菌的共同祖先大约起源于33亿年前，与太古代原始地球大陆首次露出海平面的时间接近。随后深古菌的主要类群大约在30至25亿以及18亿年前发生了多次大规模的物种分化，分别对应板块运动的起始、大陆扩张以及全球海底火山喷发事件发生的地质历史时期，表明深古菌的起源和演化很可能受到原始地球板块运动的驱动和影响。值得注意的是，木质素降解深古菌类群起源于大约3亿年前，与同期出现的白腐菌和食木甲虫很可能是石炭纪末期全球碳埋藏速率和煤炭储量骤降的原因之一。

本研究在地质历史时间尺度对深古菌在全球碳循环过程中的生态效应进行了拓展，使我们认识到微生物在早期地球表层环境改造以及宜居性的提升中发挥着至关重要的作用，为今后更加深入地探究微生物与地球系统之间的协同演化以及早期生命起源提供了新的思路和方向。

图2 木质素降解深古菌类群、白腐菌和食木甲虫的起源时间与石炭纪末期的碳埋藏速率。

参考文献：

Hou, J. et al. Taxonomic and carbon metabolic diversification of Bathyarchaeia during its coevolution history with early Earth surface environment. Sci. Adv. 9, eadf5069, doi:10.1126/sciadv.adf5069 (2023).

Meng, J. et al. Genetic and functional properties of uncultivated MCG archaea assessed by metagenome and gene expression analyses. ISME J. 8, 650-659, doi:10.1038/ismej.2013.174 (2014).

He, Y. et al. Genomic and enzymatic evidence for acetogenesis among multiple lineages of the archaeal phylum Bathyarchaeota widespread in marine sediments. Nat. Microbiol. 16035, doi:10.1038/nmicrobiol.2016.35 (2016).

Yu, T. et al. Growth of sedimentary Bathyarchaeota on lignin as an energy source. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 115, 6022-6027, doi:10.1073/pnas.1718854115 (2018).