结果

1.近3000个古细菌基因组充分代表了腾冲地热泉的古细菌多样性

从腾冲地热泉收集了152个沉积物样本，从中构建了2949个符合目前公认的中高质量标准的古细菌MAGs。此外，构建的MAGs数量中大约10%的古细菌MAGs不含rpS3（图 1c），其余90%的MAGs在数量上占总古细菌代表性rpS3的40%，并且在宏基因组的序列覆盖度加权后，它们占据了82%的比例（图 1d）。另外还发现，Thermoplasmata和Thermoproteia是研究区域中最丰富的谱系（图 1a、b），Thermoplasmata在酸性（pH < 5.5）的DRTY池中占主导地位（最大丰度为70.2%），Thermoproteia在大多数其他样品中占主导地位，丰度最高可达93.7%。

图1. 152个地热泉宏基因组的古细菌多样性

2.MAGs是多种多样的，代表了数百种未知的物种

为更好地探索这些古细菌的多样性，将2949个古细菌MAGs在菌株水平上去重，根据99%的平均核苷酸同一性，筛选出603个具有代表性的MAGs (rMAGs)，涵盖12个门，27个纲、67个目、147个科、265个属、475个种（图 2），其中包括392个新物种。此外，所鉴定的rMAGs在分类学上分布广泛（图 2），包含了多种高丰度和低丰度的物种，在地热泉中发现的MAGs不仅提高了几个古细菌谱系的基因组代表性，而且大大增加了已知古细菌在生命树中的系统发育多样性。

图2. 新发现的古细菌种类广泛分布在古细菌中

3.pH值和温度是古细菌组成和潜在功能的关键驱动因素

对分类组成和潜在代谢功能的分析表明，pH和温度是影响古细菌群落的关键因素。根据pH值的不同，pH值存在显著变化。酸性 （pH <5.5）、中性 （5.5 ≤ pH <8.5） 和碱性 （pH ≥ 8.5） 之间MAGs存在统计学差异。此外，按温度对样品进行分组发现，中温（<60℃）、热（60-80℃）和高温（≥80℃）之间MAGs存在显著差异。

4.古细菌在极端pH条件下更为丰富，呈强烈的双峰分布

古细菌的相对丰度与pH之间存在很强的关系，当泉水被分为酸性或碱性组时，两种极端的pH值都有利于古细菌的丰度，并且酸性温泉中古细菌的丰度关系强于碱性温泉。在酸性温泉中，古细菌的绝对丰度大于细菌；但在碱性温泉中，pH值和古细菌丰度都与温度相关。此外，一些低丰度的古细菌在中性温泉中更为丰富，且一些小古细菌可能因其共生/寄生关系而只存在于酸性温泉中。

5. 热变形杆菌可能是碳循环中的关键角色

分析潜在碳代谢发现，在中性温泉中，Wood - Ljungdahl途径占主导，B26-1是主要的古细菌贡献者（图 3a、d，图4）。在酸性和碱性温泉中，Thermoproteia目编码的完整基因参与了二羧酸-羟丁酸（DC/4-HB）循环。酸性温泉中，磺酰基化合物成员丰富，编码3-羟基丙酸酯/ 4-羟基丁酸酯（3HP/4HB）或DC/4-HB循环。编码甲烷代谢潜能的基因，特别是甲基辅酶M还原酶（mcrABG）在低丰度的菌群中存在。此外，乙酸是普遍的电子供体和碳源，古细菌中存在乙酸氧化相关基因，发酵相关基因也丰富，表明存在异养古细菌基线种群（图 3a）。此外，编码有机碳代谢相关基因的rMAGs占主导（图 3a），不同pH组中与异养过程相关的基因不同，反映了对不同有机碳底物的偏好（图 3d）。酸性温泉中古细菌编码的碳水化合物活性酶较少，而EX4484-205等可能在中性温泉中降解复杂有机物中起重要作用。总之，Thermoproteia在碳循环中可能具有重要作用。

图3. 不同pH值条件下古细菌群落代谢特征

图4. 地热泉宏基因组中古细菌目的代谢潜力

6. 在多极端地热温泉中，异化硫酸盐还原的潜力得到了富集，这主要是由酸性温泉中的Thermoplasmata和碱性温泉中的Thermoproteales实现的

支持亚硫酸盐氧化和硫酸盐还原的基因普遍存在（图 3b、d），关键基因硫酸盐腺苷基转移酶（sat）在所有四个宏转录组数据集中都有表达（图 5b）。在酸性和碱性温泉中，亚硫酸盐异同化还原酶（dsrAB）和硫酸腺苷酸还原酶（aprAB）基因簇普遍存在，这表明了硫酸盐异同化还原酶（DSR）的重要性（图 3b、5b）。在酸性温泉中，ARK-15可能介导了DSR，在中性和碱性温泉中存在明显的硫酸盐还原古细菌（图 5j）。综上所述，宏基因组和宏转录组数据均表明，酸性温泉中存在由古细菌介导的活跃的同化硫循环，碱性温泉中古细菌可以氧化还原硫。

图5. 地热泉中古细菌MAGs的宏转录组图谱

7. 有限氮地热泉中氮资源利用的多种策略

亚硝酸盐与地泉中古细菌种类和功能组成显著相关。氨可被嗜热氨氧化古细菌（AOA）氧化为亚硝酸盐，表明AOA对氨有活性氧化作用（图 5），为亚硝酸盐或硝酸盐可以为同化或异化代谢提供底物。另外，亚硝基球藻对nirK的高表达表明，温室气体 N2O可能是由硝化器反硝化作用释放的（图 5c）。此外，古细菌可能从有机分子中获取氮，例如rMAGs表达了氨基酰胺酶可将甲烷酰胺转化为氨（图 5c），一些磺酰藻表达了硝基烷烃转化为亚硝酸盐的硝基单加氧酶（ncd2）。尿素酶（ureAB）转录本定位到亚硝基球藻，表明它们可能从JZ-2池的尿素中产生氨。谷氨酸脱氢酶的表达高于谷氨酰胺合成酶，也表明古细菌对氮的利用方式多样。

8. 古细菌的氢代谢在地热泉中广泛分布

在不同的pH条件下，地热泉中古细菌群落对氢的潜在代谢是不同的（图 3a、d）。在近一半的古细菌rMAGs中发现了氢化酶，包括[NiFe]-、[FeFe]-和[Fe]-氢化酶。[NiFe]-氢化酶是分布最广的氢化酶，分为多个亚型，具有不同的功能和分布。3c组[NiFe]-氢化酶与异二硫还原酶形成功能配合物，并通过将铁氧还蛋白与异二硫的逸出还原与H2偶联，形成电子分叉过程，使铁氧还蛋白与H2的逸出还原偶联，在古细菌群落中发挥重要作用。

9. 一些古细菌可能是竞争性或合作性的

基于rpS3基因研究构建的网络表明，古细菌与细菌之间的联系很少，而且这些联系大多数表现出显著的负相关。这表明古细菌和细菌之间存在潜在的竞争关系而不是合作关系。在热酸性温泉中，优势谱系Thermoplasmata可能与另一个优势谱系Thermoplasmata竞争，竞争的结果是由温度决定的；同时，Thermoplasmatales与Conexivisphaerales可能协同进行硫的顺序氧化还原转化（图 6b、d）。热碱性温泉网络中的一个模块由丰富的Sulfolobales与Thermoproteales组成，而另一个模块由较少的古细菌组成。此外，一些低丰度的小古细菌可能参与复杂有机碳和核苷酸的降解，或与其他古细菌存在寄生或捕食关系（图 6d、e）。

图6. 古细菌占主导地位的地热泉中古细菌群落内潜在的代谢相互作用

讨论

温度和pH是影响热泉微生物群落分布的重要因素，本研究中pH与古细菌组成和功能相关性更强，并且强调了pH在酸性温泉中的重要控制作用。此外，研究还关注了低丰度的小古细菌和Asgardarchaeota，它们在这些地热生态系统中占据独特的生态位。同时，功能冗余在微生物群落中很常见，本研究中地热泉的古细菌在能量转换代谢途径方面存在高功能冗余，且在多极端条件下更普遍。最后，研究指出一些关键生化功能由分类学上不同的古细菌群编码，这种功能冗余与微生物群落承受环境压力和波动的能力相关。

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