中國科學家建立全球首個冰川微生物數據庫

青藏高原被稱為世界“第三極”和“亞洲水塔”。除南北極外，它是全球最大的冰川分布區，現有冰川2萬條以上，面積超過2萬平方公里，也是我國及亞洲20億人賴以生存的十多條大江大河的源頭。青藏高原冰川是微生物的天然存儲器，封存了不同歷史時期的微生物。

現在，中國科學家構建的全球首個青藏高原冰川微生物基因組及基因數據集（TG2G）正式出爐。這項被多位審稿人評價為“高度創新”的研究，北京時間6月27日晚發表于《自然—生物技術》。

這是蘭州大學泛第三極環境中心、中國科學院青藏高原研究所及中國科學院微生物所、澳大利亞和丹麥合作團隊的成果，其中匯聚了青藏高原21條冰川30個門類物種的2500余萬條基因信息，并系統論述了青藏高原冰川微生物多樣性和功能。

“這是一項非常有意義的工作，填補了對冰川棲息地微生物群落測序知識的重大空白。”地球微生物組計劃負責人之一、美國能源部聯合基因組研究所負責人Nikos Kyrpides作為該刊特邀評論員評價說。

首個冰川微生物數據“銀行”

研究團隊對青藏高原21條冰川85個宏基因組進行了測序和組裝，獲得了2358個宏基因組裝基因組，并將其與分離自青藏高原冰川的883株細菌培養株的基因組相結合，構建了青藏高原冰川微生物基因組和基因數據集TG2G。

TG2G含有3241個冰川細菌和古菌的基因組，這些微生物物種可劃分為30個門、69個綱、12個目、22科、475屬和968種。與極地海洋、地球微生物數據庫和物種分類數據庫中的基因組數據相比，其中88.3%~100%的青藏高原冰川微生物為潛在新種，它們以主要分布在單一冰川的特有種為主，具有較強的空間和生境特異性。

同時，TG2G數據集的基因數據包括冰川環境的25,320,330個不同基因，其中15,954個基因可能與次級代謝產物合成相關，只有8.4%存在于現有數據庫中。這一發現證實了TG2G數據庫包含了大量功能新穎的次級代謝產物。次級代謝產物，即不直接涉及到生命生長、發育或繁殖，但對生物之間的相互作用和環境適應性具有重要作用的有機化合物。

“這是第一個詳細的冰川生態系統基因組和基因目錄。”《自然—生物技術》編輯團隊如是評價。該刊一位同行評議專家也指出，這項工作具有“高度創新性，因為與冰川環境相關的微生物基因組信息一直所知甚少”。

認識“冰川來客”造福人類健康

盡管目前獲取的冰川微生物基因組數量只有3241個，遠低于腸道微生物數據量。論文編輯和審稿人卻認為，在全球變暖和冰川微生物多樣性喪失的情況下，這項研究有著巨大意義。

這些“冰川來客”蘊藏著豐富的造福人類的基因資源，其中不乏具有合成潛在抗生素或抗癌藥物的化合物。

例如，萜類化合物作為一種次生代謝物被廣泛應用于工業、醫藥衛生等方面，萜類合成相關基因是青藏高原基因組數據中多樣性最高的次級代謝產物合成基因類型（26%），這可能與微生物合成色素以抵御紫外輻射、捕獲光能等需求有關。

非核糖體多肽合成酶、聚酮合酶及非核糖體多肽合成酶-聚酮合酶復合蛋白編碼基因的代謝產物則與抗生素合成有關，這些基因占所有次級代謝產物合成相關基因多樣性的21%，有待進一步挖掘。

另一方面，青藏高原冰川變形菌、厚壁菌和放線菌攜帶了生物膜合成、細胞運動及細胞毒素合成的相關基因，這是微生物適應冰川環境和微生物與捕食者相互作用機制的一部分。其中有14301個（占總數52%）潛在毒力因子與地球微生物組（GEM）數據庫中存在的毒力因子具有顯著的相似性，396個基因組中的潛在致病因子位于基因移動原件（如質粒和噬菌體）的操控之下。表明在冰川消融過程中，毒素基因有快速釋放的可能性，其中部分毒力因子與人類和動植物接觸時可能造成影響。相關風險有待對這些潛在致病微生物的豐度、致病風險及其與下游生態系統接觸后的相互作用機制進行進一步的評估。

多位同行評議專家指出，無論是描述與次生代謝物生物合成有關的新基因，還是鑒定潛在的毒性相關基因，都證明了這一獨特數據集的實用價值。“這些數據均可為人們提供非常有用的資源，并且應該用于其他類型的分析。”Kyrpides評價說。

該數據庫已經在中國國家組學數據百科全書NODE平臺將基因組和基因層面數據進行公開。有審稿人希望，該數據集同時向國際核苷酸數據庫合作組織（INSDC）數據庫開放。

圖1 青藏高原冰川微生物基因集概況。a.獲得的宏基因組裝基因組(MAG)和純菌基因組的物種分類和進化關系；b. 基因集中的次級代謝產物合成相關基因的分類及其比例；c. 基因集中的移動原件與毒素基因的關聯

認識是保護的第一步

TG2G數據集還建立了冰川環境微生物的數據處理與比較的標準化流程。這一數據處理流程，不僅適用青藏高原，也適用于有全球冰川，服務全球冰川微生物對比研究。用該基因集作為宏基因組測序組裝模板時，可將平均序列組裝比例從68%提高至85%，有效提高測序數據的利用率。

研究團隊用TG2G的分析流程對北極、歐洲阿爾卑斯山脈冰川的微生物宏基因組數據進行比較研究，獲得了代表215個新種的405個冰川微生物基因組。比較研究發現，青藏高原與其他地區冰川微生物群落組成具有顯著差異，北極和青藏高原冰川藻類（綠藻和紅藻）相對豐度類似，但均顯著低于阿爾卑斯地區冰川。

研究團隊還發現，對于細菌群落，空間距離導致的群落擴散限制的影響大于冰川不同生境差異的影響。但在功能層面，冰川生境差異的影響大于擴散限制的影響，其中冰塵生境富集了核酸與脂類代謝合成的相關基因，而雪冰生境微生物則具有更多與次級代謝產物合成及輔酶合成相關基因，這可能由不同生境的環境選擇壓力差異驅動。

在全球冰川快速退縮的背景下，在基因組和基因水平上建立一個存檔、分析和比較冰川微生物的平臺意義重大。由于環境中可被常規方法培養的微生物比例極低（在0.1%-0.01%之間），基因組序列數字保存將是保護生物多樣性的一種方法。也將可獲得冰川微生物對氣候環境的響應信息，發掘它們對冰川環境的適應機制，以更好的保護和利用冰川微生物資源。

數據庫將有助于開發在低溫條件下具有較高的催化效率，高溫時卻能快速失活的嗜冷酶產品；明確青藏高原冰川中蘊藏的潛在致病微生物類群，評估其隨冰川融水向下游釋放的生態風險；了解它們對冰川碳氮循環過程的驅動作用，發揮青藏高原的生態安全屏障作用；揭示適應低溫強紫外環境的獨特微生物類群及其環境適應機制，為地外生命探索提供線索。

TG2G數據集是理解冰川生態系統微生物適應機制、碳氮循環過程、生物資源開發和對下游生態影響評估的第一步，更深入的研究將評估氣候變化對青藏高原碳通量的影響提供理論依據，進一步增強青藏高原的生態屏障作用。

該研究由蘭州大學泛第三極環境中心生物地球化學循環團隊，中科院青藏高原研究所，中科院微生物所以及澳大利亞昆士蘭大學和丹麥奧胡斯大學共同參與。研究獲得第二次青藏高原綜合科學考察研究、國家自然科學基金委水圈重大研究計劃等項目資助。

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