实验室无法培养的菌，原来可以这么研究！

厌氧氨氧化（anammox）细菌在全球氮循环和废水氮去除中发挥着至关重要的作用，由于anammox细菌生长缓慢、难以培养等特点，对其生态学和生物学特性知之甚少。近日，凌恩生物合作客户重庆大学陈猷鹏教授团队在《Science of the Total Environment》发表研究论文“New insights into functional divergence and adaptive evolution of uncultured bacteria in anammox community by complete genome-centric analysis”。研究通过PacBio HiFi测序获得anammox细菌群落的全基因组信息，揭示其多样性、功能特性和适应性进化机制，为进一步研究anammox细菌的生态角色和生物技术应用提供理论依据。

实验设计

• 样本类型：从实验室颗粒污泥反应器中收集五个重复样品

• 测序方案及数据量：三代宏基因组测序26.7G HiFi data ，二代宏基因组35.3G Illumina data

图 测序方案及分析

主要研究结果

1.组装生成30个cMAGs

cMAGs是从宏基因组数据中组装获得细菌的完整基因组（complete MAGs）。本研究通过HiFi测序和组装获得30个cMAGs。研究发现，这些cMAGs代表了9个不同的门，其中Patescibacteria门的数量最多，但其基因组非常小且编码蛋白质数量较少。此外，有三个cMAGs无法被分类到已知的属或科级别，通过比较分析，发现其中一个cMAGs是Ca. Jettenia属的新物种。

  表1 本研究获得的30个cMAG的特征  

图1 cMAGs的系统发育位置和丰度

2.cMAGs功能分析

通过对30个cMAGs的基因组进行分析，发现除了Patescibacteria外，其他细菌在氮和铁循环方面可能发挥着重要作用。同时，Planctomycetota和Chloroflexota在碳循环中起到重要作用。此外，还有13个物种能够利用三种不同的固碳途径进行自养生长。进一步讨论了不同菌在维生素、辅酶和铁代谢等方面的功能差异。

图2 30个cMAGs的氮(N)、铁(Fe)、氧(O)、碳(C)和硫(S)代谢途径的MEBS评分

图3  30个cMAG编码的辅因子和维生素代谢的完整KEGG模块

3.cMAGs氮代谢的功能分化

为了进一步探索这些细菌在氮代谢方面的功能差异，研究者利用氮循环数据库(NCycDB)对30个cMAGs进行全面注释，发现24个物种可能参与关键的氮转化过程(图4)。

具体分析了哪些菌还有已知氮代谢基因，发现大多数Patescibacteria菌种没有被鉴定出具有重要的已知氮代谢基因，这表明它们可能在系统中发挥其他作用。

图4 30个cMAGs的氮代谢潜力

4.适应性进化：可移动元件（MGE）、水平基因转移（HGT）

为了深入了解anammox菌群落的适应性进化，进一步分析了cMAG中的MGE和HGT。

结果表明，HGT事件以及与噬菌体整合或切除相关的MGEs，在厌氧氨氧化细菌中尤其在含有tnpA转座子的情况下，可能在anammox群落适应性进化过程中发挥重要作用。

图5 cMAGs和参考基因组中鉴定的可移动遗传元件(MGEs)

图6 cMAG.29预测28个含tnpA的基因簇

图7 厌氧氨氧化菌群落HGT基因网络及功能

研究结论

本研究通过对anammox菌群落进行HIFI测序获得30个cMAG，并进行物种分类学注释和功能分析，重点关注与氮循环有关的功能。研究人员发现anammox细菌群落中存在着多样化的物种，它们具有不同的功能特性和代谢途径。研究人员还发现了MGE和HGT事件，这可能对anammox细菌的适应性进化起到重要作用。本研究为大家深入了解anammox细菌群落的生态角色和生物技术应用提供了重要的理论依据。

参考文献

New insights into functional divergence and adaptive evolution of uncultured bacteria in anammox community by complete genome-centric analysis.Science of the Total Environment,2024

原文链接

Doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171530