短链烷烃厌氧氧化古菌的环境分布、代谢特征及演化过程

Hydrocarbon compounds such as methane and ethane are distributed globally. Microorganisms play critical roles in biogeochemical cycling of these compounds and therefore greatly influence the global climate change. Understanding the diversity, distribution, metabolism and evolution of these alkane oxidizing archaea is critical for revealing the origin and evolution of early life on earth and their geochemical significance. Recent studies showed that anaerobic short-chain alkane oxidizing archaea widely exist and show activity in both marine and freshwater sediments. The present research project is going to use global marine sediment metagenome database by conducting comprehensive analyses, including geochemistry, microbiome, protein dynamic simulation, and molecular clock, to uncover the global pattern of alkane metabolizing archaea, and the mechanism of alkane degradation, also calculate the origin and divergent time of these archaea. The results from this project would significantly help us understand the early life forms of anaerobic alkane metabolism on earth as well as their contribution and influence on geochemical cycling.

烃类化合物在自然界中广泛分布，微生物对该类化合物，特别是小分子烷烃（甲烷和短链烷烃）的代谢是地球化学元素循环的重要环节，对全球气候变化有重要影响。目前对古菌甲烷代谢和细菌降解短链烷烃的过程已有较清楚的认识，然而最近发现的短链烷烃厌氧氧化古菌打破了传统观点，但仍缺乏系统的研究。本项目拟采用地球化学、微生物组学、分子动力学和分子钟模型等多学科交叉技术方法，对短链烷烃厌氧氧化古菌的环境分布、代谢特征及演化过程开展综合研究。通过分析环境样品与调查公共数据库确定该类古菌的全球分布特征及规律；利用多组学测序、代谢通量分析、蛋白质-底物动力学模拟和富集培养验证探讨其氧化短链烷烃的机制；应用分子钟模型估算短链烷烃厌氧氧化古菌的起源及分歧时间。本项目研究结果将有助于评估短链烷烃厌氧氧化古菌的地球化学功能及环境意义，理解古菌短链烷烃厌氧氧化机制，认识地球早期烷烃代谢生命的起源和演化过程。

甲烷、乙烷等小分子烷烃广泛分布在自然界各种环境中，其产生与消耗对全球气候变化有重要影响。微生物对甲烷及短链烷烃的代谢过程是地球化学元素循环的重要环节，本项目采用地质微生物学等交叉技术方法，对小分子烷烃厌氧代谢古菌的代谢特征、环境分布及演化过程开展综合研究。研究揭示小分子烷烃厌氧代谢古菌主要分布在海洋及淡水沉积物，海洋冷泉及地热区等环境，其中海洋冷泉的小分子烷烃厌氧代谢古菌丰度最高，其次是海洋及淡水沉积物，地热区虽然丰度较低，但是新类群较多，值得深入挖掘。此外，本研究阐释了古菌甲烷和短链烷烃厌氧代谢的机制差异，发现短链烷烃厌氧代谢古菌可以通过烷基辅酶M还原酶活化烷烃，其机制与甲烷厌氧氧化古菌中甲基辅酶M还原酶反应过程类似，但短链烷烃厌氧氧化过程结合了脂肪酸降解途径，使烷基辅酶M最终氧化为乙酰辅酶A或二氧化碳。最后，本研究通过分子钟计算得出甲烷代谢古菌可能起源并分化于晚冥古宙至早元古宙时期，短链烷烃代谢古菌很可能由一类乙烷代谢古菌演化形成。本项目研究的结果将帮助认识短链烷烃的厌氧代谢机制，评估其环境分布及对地球化学元素循环的潜在贡献，了解地球早期烷烃代谢生命演化过程。