微生物驱动全球生物地球化学循环的关键环节，并且是地球上广阔寒冷生物圈中最主要的生物类群。确定使嗜冷菌能够在寒冷环境中生长的基因组特征，可以揭示其对低温环境的生理学和生态学响应。受限于对极地和山地环境特有类群进行定位还没有行之有效的方案，确定嗜冷菌的主要基因组特征十分困难，而把基因组方面的信息外推到与环境变化相关，则更加困难。

近期，我院青年教师沈亮在微生物组学顶级期刊《Microbiome》发表学术论文，题为“Linking genomic and physiological characteristics of psychrophilic Arthrobacter to metagenomic data to explain global environmental distribution”。该刊为中科院分区微生物学一区TOP期刊，IF =11.67 。沈亮副教授为论文第一作者，中国科学院青藏高原研究所刘勇勤研究员和澳大利亚新南威尔士大学Ricardo Cavicchioli教授为共同通讯作者。中国科学院青藏高原研究所为第一完成单位，安徽师范大学生命科学学院为第二完成单位。

该研究对包含来自青藏高原冰川和湖泊的13个菌株在内的总共106个Arthrobacter基因组及其全球分布规律进行了研究。结果显示，青藏高原、南北极和阿尔卑斯山等低温环境的31个菌株分布在Arthrobacter系统发育树的不同位置。利用基因组数据信息结合生理学实验发现一个代表了极地和山地环境单系类群的新分枝，定义为极地和山地环境特有类群Group C (图 1, F measure = 0.95)。定义出Group C之后，研究者把剩下的极地和山地环境来源的菌株归为广布类群Group B。生理实验显示，在环境温度为-1ºC时，相比于对照组(非极地或山地类群，Group A)，单系类群Group C 表现出显著的生长优势、更低的全基因组蛋白质热稳定性且具备一些特有的代谢途径(如硫代谢和分枝硫醇合成)。随后对近1000个宏基因组数据集分析了三组菌株所代表的基因型在全球的分布规律。结果发现，Group C在北极Axel Heiberg Island永久冻土中显著富集，表明极地和山地类群对冻土生境的偏好(图 2a)；Group A则在所有的极地和山地宏基因组样品中表现出相反的趋势(图 2b)，这预示着升温会导致极地和山地单系类群逐渐被替代的基本趋势。该研究同时还发现广布类群Group B在不同气候带的宏基因组样品中分布没有显著差异。

这项究表明，定义一个极地和山地环境特有类群的基因组特征，并将其作为指示气候变化的指标是有可能的。然而从更广泛的角度来看，把基因组和生理数据外推到其环境相关性仍面临着挑战。

图 1 利用基因组数据中的多种信息结合生理学实验，发现一个新的分枝，代表了极地和山地环境单系类群(F measure = 0.95)，定义为极地和山地环境特有类群Group C.

图 2. 极地和山地环境特有类群在不同气候环境中的分布规律验证了温度升高会导致冰川环境特有类群比例降低, 预示着特有类群将会被广布类群取代. (a)极地和高山环境特有类群Group C在极地/山地环境宏基因组中比例(蓝色拟合线)显著高于其在温带和热带等非极地环境中的比例(红色拟合线); (b)对照基因组Group A(高温环境类群)显示出了相反的趋势.

该研究得到了国家自然科学基金(91851207, 41701085), 第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0503)和中国科学院战略重点研究计划(XDA20050101)等基金的资助。

文章链接：

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-021-01084-z