交叉喂养有助于那些在进化过程中基因组规模减小的氨氧化细菌的生长

《Water Research》：Cross-feeding supports the growth of ammonia-oxidizing bacteria with reduced genomes during evolution

基因组缩减与代谢交叉喂养驱动氨氧化细菌进化研究。新发现的Yangtze River AOB YR-2（2.17 Mb）较Proterozoic祖先（4.53 Mb）丢失了氨基酸合成基因，通过吸收共生菌提供的氨基酸/二肽实现172.8%的增长率提升。揭示了基因缩减与代谢分工协同进化的机制及其对氮循环的影响。

　　

冯一鸣|郑茹|孔令睿|张张|陈百一卓|刘思通

北京大学环境科学与工程学院，北京，100871，中国

摘要

在进化过程中，细菌通常会丢失冗余基因以减小基因组大小，从而实现更高的代谢效率。本研究结合分子钟和通量平衡分析提出，对全球氮循环至关重要的氨氧化细菌（AOB）在基因组缩小的过程中丢失了参与必需代谢物合成的基因，因此依赖于代谢交叉喂养。一种新进化出的氨氧化细菌起源于显生宙时期，其基因组大小为2.17 Mb，它从较古老的元古宙时期的AOB物种（基因组大小为4.53 Mb）中丢失了合成氨基酸（如天冬酰胺和甲硫氨酸等）所需的基因。共生细菌为新进化的AOB提供这些必需的氨基酸和二肽以支持其生长。同时，AOB将吸收的二肽降解为氨基酸或从吸收的氨基酸合成二肽与共生细菌进行交换，从而建立了强烈的相互支持关系。在长江中，基因组缩小的新进化AOB从其他细菌那里获取氨基酸和二肽，其生长率比旧AOB提高了172.8%。这项研究表明，在进化过程中微生物的分工变得更加精细，以提升代谢效率，以及交叉喂养在驱动基因减少中的作用。

引言

基因组缩小对于细菌的进化及其未来发展至关重要（Zhang等人，2024年），同时也促进了合成生物学技术的应用（Ma等人，2024年）。基因组缩小指的是通过丢失非必需基因和冗余途径来获得更高效、更小的基因组（Wolf和Koonin，2013年）。在基因组缩小的过程中，细菌保留了诸如遗传信息处理等必需功能（Tian等人，2020年）。然而，微生物基因组中必需基因丢失的驱动因素和生存模式仍不清楚。

在微生物进化过程中，基因组大小受到多种因素的影响，并没有表现出明显的增加或减少趋势（Petrov，2001年）。由于水平基因转移和基因组复制等机制，微生物的基因组大小可能会增加（Petrov，2001年）。具有较大基因组的细菌在信号传导和次级代谢等代谢功能方面更为丰富，从而导致更大的生态多样性（Konstantinidis和Tiedje，2004年）。另一方面，细菌的基因组大小在进化过程中也会减小（Batut等人，2014年）。基因组缩小在稳定环境中较为常见，例如宿主细胞内的内共生菌（Boyd等人，2024年）。在寡营养环境中也很普遍，尤其是在表层海洋中的自由生活浮游细菌中（Swan等人，2013年）。细菌通过丢失非必需基因和冗余途径来获得更高效、更小的基因组，从而降低代谢成本并提高生长率（Nishimura等人，2017年；Tian等人，2020年）。在基因组缩小的过程中，细菌失去了合成必需代谢物（如B族维生素和硫源）的能力（Neuenschwander等人，2018年），而这些代谢物对它们的生长和生存至关重要（Lawson等人，2017年）。这表明它们可能从环境中获取这些代谢物。

微生物之间必需代谢物的交换被称为代谢交叉喂养（D'Souza等人，2018年）。交叉喂养对细菌生长至关重要，同时还能扩展细菌的生态位宽度和延长其寿命（Correia-Melo等人，2023年；O?a等人，2021年）。微生物交叉喂养还能提高整个细菌群落的生产力和对环境变化的适应能力（D'Souza等人，2018年；Zhang等人，2024年）。最近的研究表明，交叉喂养现象普遍存在，并不完全由功能互补性决定（Belzer等人，2017年；Fritts Ryan等人，2021年）。即使细菌有能力合成必要的代谢物，它们仍可能选择通过兼性交叉喂养从群落中的其他微生物那里获取这些代谢物，从而节省代谢能量并优化群落内的资源分配（Belzer等人，2017年；Fritts Ryan等人，2021年）。当某些细菌执行的任务对整个细菌群落有益时，大多数细菌会失去执行这些任务的能力，这符合“黑皇后假说”（Andersson和Kurland，1998年）。可以推断，当细菌在进化过程中失去合成必需代谢物的能力时，它们会从群落中的公共资源中获取这些代谢物（Batut等人，2014年；Morris等人，2012年）。因此，基因组缩小且失去合成必需代谢物能力的细菌可能依赖交叉喂养来生存。

氨氧化微生物（AOM）对全球氮循环至关重要，每年贡献约2,330 TgN（Kuypers等人，2018年）。氨氧化细菌（AOB）的硝化潜力是氨氧化古菌（AOA）的1~3倍（Jia和Conrad，2009年），对河流中的氮循环至关重要，因为河流在全球范围内输送大量的可利用氮（Meybeck，1982年）。在这项研究中，我们从长江沿岸4300公里范围内的32个地点收集了样本，获得了超过560G的基因组数据。我们发现了长江中基因组缩小的最新进化出的AOB，并发现这种新进化出的AOB丢失了与氨基酸代谢相关的基因。AOB与共生细菌之间通过氨基酸和肽的交叉喂养促进了失去相关基因的基因组缩小细菌的生长。这项研究扩展了我们对微生物进化过程中代谢交叉喂养和分工的理解，以及这些策略如何影响水生系统中的氮循环。

采样、DNA提取和高效测序

在长江4300公里范围内的32个国家级水文站同时进行了样本采集和预处理（图S1，表S1-S2）。这4300公里的长江段包括从上游的石鼓（SG）到河口的徐柳泾（XLJ）的区域。采样点是根据水文站选择的。在每个采样点收集了河岸带表层沉积物（0-10厘米深度），并储存在三个50毫升的灭菌容器中。

长江中新进化出的AOB YR-2

通过对长江沉积物中的微生物群落进行宏基因组测序、从头组装和共识分箱，获得了168个宏基因组组装基因组（MAGs）。这些MAGs主要分布在Proteobacteria、Bacteroidota、Pseudomonadota、Gemmaatimonadota、Actinomycetota、Chloroflexota和Nitrospirota门中（图S4）。其中4个MAG被鉴定为AOB，AOB在长江中的平均相对丰度为2.90%（图S5，表

AOB中的基因组缩小促进了代谢交叉喂养的建立

在这项研究中，我们提出AOB的基因组在进化过程中已经缩小。AOB在进化过程中丢失了合成氨基酸所需的必需基因，而与防御和信号传导相关的基因丢失程度较轻。细菌基因组的大小主要由两个过程决定（Dufresne等人，2005年）。基因组大小在进化过程中由于通过基因复制或水平基因转移获得新基因而增加（Arnold等人，2022年；

结论

在这项研究中，我们从长江沉积物中恢复了四个新的Nitrosomonas MAGs，并鉴定出一种新进化出的AOB菌株YR-2，其基因组大小（2.17 Mb）比老AOB（4.53 Mb）更小。在基因组缩小的过程中，高成本的代谢途径（尤其是氨基酸合成）被保留，而核心功能（如运动能力）仍然存在。AOB与共生细菌进行交叉喂养，共生细菌提供必需的氨基酸和二肽以支持其生长。

CRediT作者贡献声明

冯一鸣：撰写——初稿、可视化、方法学、软件、研究、数据管理。郑茹：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究。孔令睿：方法学、软件、数据管理。张张：软件、研究。陈百一卓：软件。刘思通：撰写——审稿与编辑、方法学、验证、监督、资金获取、概念构思。

数据可用性

支持本文发现的所有数据均存储在NCBI序列读取档案（SRA）数据库中（访问号：SRP153344）。

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52270016和51721006）的支持。