图文导读

南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）张偲院士团队联合广东工业大学、中科院南海所、伍兹霍尔海洋研究所、北卡罗来纳大学教堂山分校等团队在Nature Communications上发表最新研究。该研究利用三代长读长宏基因组与高通量微生物单细胞技术，首次从南海海马冷泉沉积物中成功构建了130个高质量的环状基因组（cMAGs）。研究刻画了深海冷泉甲烷厌氧氧化核心驱动者——ANME-1古菌在多变冷泉环境下的亚种及株系水平上的精细演化特征，并揭示基因组结构变异（SVs）和细胞防御系统的进化是驱动古菌多样化与特殊生态位适应的关键。

广州海洋实验室张偲院士与广东工业大学智慧海洋科学与工程研究院院长冯景春教授为该论文的共同通讯作者；广州海洋实验室周颖力、陆瑞，中国科学院南海海洋研究所陈喆，以及伍兹霍尔海洋研究所Paraskevi Mara为该论文的共同第一作者。广州海洋实验室陶玄宇研究员、胡珺临、黄永吉，中国科学院南海海洋研究所王晓雪研究员、姚建云，广东工业大学刘锦怡，伍兹霍尔海洋研究所Virginia P. Edgcomb研究员，以及北卡罗来纳大学教堂山分校Andreas Teske教授为该论文的共同作者。本研究得到了国家自然科学基金委重大项目（42494884、42449303）、国家杰出青年科学基金项目（42325603）以及重大科研仪器研制项目（42227803）的支持。

摘要

本研究结合短读长、长读长宏基因组以及单细胞基因组，对南海海马冷泉4个沉积物层（0-30 cmbsf）中的ANME古菌群落进行了精细演化研究。主要结论如下：

1.重构目前最大规模的冷泉微生物环状基因组数据集：获得了130个高质量环状基因组（cMAGs），其中包含24个ANME物种，显著提升了深海古菌参考基因组的完整度，突破了传统短读长测序的碎片化局限。

2.发现结构变异驱动的ANME遗传分化热点区：识别出多达7,119个基因组结构变异（SVs），这些变异高度集中于防御系统、转运蛋白和甲烷代谢相关基因，是驱动ANME-1株系分化的核心“热点区域”。

3.防御基因受强烈正选择：种群多态性指标（pN/pS）表明环境适应和原核防御基因（如hicAB和ABC-2型通透酶）经受着比核心能量代谢基因更强烈、持续的正选择压力。

4.功能验证揭示潜在古菌“细胞休眠”调节机制：异源表达实验证实ANME-1的hicAB操纵子为功能性毒素-抗毒素（toxin–antitoxin）系统（简称TA系统）。在冷泉甲烷通量波动或能量限制时，毒素（HicA）可能通过抑制细胞生长、甚至发挥致死效应来控制种群规模，提供一种深海极端环境下的特殊生存策略。

引言

深海冷泉是地球关键的碳循环功能区，以甲烷、硫化氢等碳氢化合物流体渗漏为核心特征，孕育了黑暗、厌氧、氧化还原梯度剧烈的极端特殊生态系统。厌氧甲烷氧化古菌（ANME）是冷泉生态系统中的核心功能微生物，可与硫酸盐还原细菌协同作用，消耗海底超90%的甲烷排放，是阻挡深海甲烷释放至大气的关键生物屏障，在全球碳循环与温室气体减排中发挥不可替代的作用。

ANME-1作为ANME古菌的核心类群，广泛分布于海洋冷泉、热液喷口、深部含水层等厌氧环境，相较于ANME-2、ANME-3类群，更适配深部低硫酸盐、强还原的沉积物环境，存在清晰的垂直生态位分区特征。现有研究已证实ANME-1存在丰富的多样性与功能分化，但受限于深海采样困难、传统短读长测序的组装碎片化问题，其物种分化、菌株多样性的核心驱动机制，以及极端环境适应性进化的分子机理，长期以来尚不明确，极大限制了深海微生物进化与碳循环机制的深度解析。

微生物基因组结构变异、基因正向选择是物种分化与环境适应的核心驱动力，尤其适用于深海动态、多变的极端生境。为填补ANME-1古菌精细演化机制的研究空白，本研究整合短读长、长读长宏基因组与单细胞基因组技术，组装获得大量高质量完整环状基因组，精准识别ANME-1基因组变异热点区，结合种群遗传分析与异源表达实验，揭示了基因组变异驱动物种分化、环境适应的机制，为深入研究深海微生物的演化机制与生态位适应策略提供全新理论支撑。

成果简介

01 冷泉优势ANME-1种群的精细基因组图谱

研究团队在南海海马冷泉1435米水深处采集插管（pushcore）沉积物样品，分层获取0–2 cm、4–6 cm、21–24 cm、27–30 cm 四层样品，整合深度测序的短读长和长读长宏基因组、单细胞基因组技术，重建692个非冗余宏基因组（MAGs）、4069个单细胞基因组（SAGs），其中包含130个高质量环状基因组（cMAGs）——这是也目前全球深海冷泉研究中数量最多的环状ANME基因组数据集。另外分类学表明，深层（27-30 cmbsf）由ANME-1古菌绝对主导，占据了高达20%的宏基因组丰度。

从ANME-1古菌中鉴定出12个物种水平的支系，其中11个为未报道新类群；深层沉积物（27–30 cm）中ANME-1菌株多样性显著高于表层，与深层低氧、富甲烷的环境特征高度契合。长读长测序组装的基因组完整性平均达96.35%，远高于短读长基因组（86.92%）。短读长测序遗漏的关键基因中包含DNA复制、修复及病毒相关移动元件。完整的长读长宏基因组组装基因组为后续高精度的进化分析奠定基础。

Fig. 2 Complete ANME-1 genomes and their diversity.

02 结构变异（SVs）勾勒出的微生物演化分化“热点”

为了解驱动ANME-1物种多样性形成的原因，团队全面检测了种内株系间的基因组结构变异（SVs），共鉴定到7,119个SVs，其中DNA插入（45%）和删除（45%）最为普遍（图3a）。令人兴奋的是，这些结构变异并不是随机散落的，而是高度聚集在三大特定功能“基因热点区”：原核生物防御系统（R-M系统、TA系统）、ABC-2型转运蛋白通透酶和甲烷代谢核心蛋白（FwdBDE, HdrA, HdrD）（图3c）。其中，以著名的限制修饰（R-M）酶和II型毒素-抗毒素操纵子（hicAB等）变异最为活跃，这些生化防御基因在株系间发生了频繁的SV介导的序列删除、重组与水平转移，表明ANME依靠这些位点的变异来适应动态变化的深海冷泉环境。

Fig. 3 Structural variants of ANME-1 species and genes associated with SVs.

03 选择压力解析：微多样性与重组速率的生态学控制

微多样性分析显示，在最深处的强还原层中（27-30 cmbsf），ANME-1物种内部蕴含了更为复杂的株系异质性。值得注意的是，群落丰度越高的优势ANME-1物种，其全基因组平均连锁不平衡值（D'）表现出显著的线性下跌趋势（R=-0.84, p=0.0012，图4b）。这一发现在遗传学上证明了冷泉环境中的优势微生物并没有发生演化瓶颈，相反，它们正在发生更为激烈的种群内部基因Shuffling（重组减退性连锁），极大地加速了生态位拓宽。此外，通过分析种群内部非同义和同义突变的比例（pN/pS比值），发现ANME-1运动性蛋白、分泌系统和防御系统经受着更高的非同义突变正选择压力（图4c）。其中，ABC-2型转运蛋白（pN/pS=2.74）与hicA毒素基因（pN/pS=1.95）展现出最高的选择压力（图4d）。

Fig. 4 Microdiversity of ANME-1 species and genes under positive selection.

04 毒素-抗毒素操纵子的体内机制验证：冷泉古菌的休眠与生存哲学

ANME-1基因组普遍携带了超常高拷贝数的hicAB操纵子（平均3.6个hicA和6.6个hicB）。为验证这一高度分化的热点基因的实际生物学功能，研究团队通过异源表达实验，将4种最具代表性排布的古菌hicA、hicB基因克隆至大肠杆菌表达系统进行功能回补实验。实验结果证实，ANME-1的HicA蛋白具有典型毒素功能，单独表达可显著抑制大肠杆菌生长，高毒性亚型可直接引发菌体致死表型；而HicB蛋白为对应抗毒素，单独表达无明显生理影响，与HicA共表达可完全逆转毒性，恢复菌体正常生长（图5d）。交叉验证实验表明，不同HicB抗毒素对异源HicA毒素均有中和作用，且同源序列相似度越高，保护效果越强，印证了hicAB系统的功能保守性与亚型特异性。此外，hicAB操纵子可显著提升质粒遗传的稳定性，帮助ANME-1稳定保留水平基因转移获得的外源功能片段、前噬菌体等可移动元件，可助力有益变异的代际传递。因此，多拷贝且高遗传多样性的hicAB操纵子赋予了ANME-1动态调控生长速度的潜能，可在冷泉甲烷通量低（食物来源减少）的阶段进行“休眠”，保证种群的延续。

Fig. 5 Diversity and functional characterization of the HicAB from ANME-1 archaea.

结论与展望

本研究依托长读长宏基因组与单细胞基因组技术，首次在菌株分辨率下系统揭示了深海冷泉ANME-1古菌的物种分化与适应性进化机制，证实高变异基因组热点区是驱动ANME-1多样性形成的核心动力，揭示了毒素-抗毒素系统、ABC转运系统、甲烷代谢变异对ANME-1类群演化的作用。研究突破了传统短读长测序对深海微生物基因组解析的局限，挖掘了大量未被报道的深海微生物新物种与新功能基因。研究结果完善了冷泉ANME种群的进化理论，为理解深海微生物多样性形成机制、深海碳循环调控规律提供了全新视角。同时，研究发现的新型毒素-抗毒素系统、极端环境适应性基因，为极端微生物资源开发、生物工程元件改造提供了优质基因储备。

未来在“十四五”国家重大科技基础设施“海底空间站-冷泉生态系统研究装置”和联合国“海洋十年”大科学计划“甲烷渗漏对全球气候的影响”的支持下，研究可进一步聚焦全球尺度下不同冷泉、热液生境中ANME种群基因组差异，解析不同生境下的演化规律，同时深入挖掘功能基因的工程化潜力，为深海生态保护、微生物资源利用、温室气体减排等领域提供技术支持与理论支撑。

原文信息

Zhou, Y.-L., Feng, J.-C., Lu, R. et al. Diversification in ANME-1 archaea is associated with the presence of highly variable genomic hotspots. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73573-4

https://www.nature.com/articles/s41467-026-73573-4