導讀
大量的微生物，包括許多新的、系統(tǒng)發(fā)育上深厚的類群，能夠在極端的環(huán)境中生存和繁衍。這些獨特且簡化的生態(tài)系統(tǒng)為研究自然微生物群落的結構、功能和進化提供了良好的機會。
基因標記研究已經(jīng)被用于研究這些極端生境中微生物組合的模式和生態(tài)驅動因素，揭示了大量未培養(yǎng)微生物的多樣性，以及在最極端條件下古菌通常會占據(jù)優(yōu)勢的特點。
新的組學研究揭示了群落功能和環(huán)境變量之間的聯(lián)系，并使重大新譜系的發(fā)現(xiàn)和基因組特征的呈現(xiàn)成為可能，這大大擴展了微生物的多樣性，改變了系統(tǒng)發(fā)育的結構。這些努力極大地促進了我們對地球極端環(huán)境中微生物的多樣性、生態(tài)學和種群進化的理解，并促進了對更復雜生態(tài)系統(tǒng)中微生物群的形成以及發(fā)展進程的探索。
論文ID
原名：Microbial diversity in extreme environments
譯名：極端環(huán)境中微生物的多樣性
期刊：Nature Reviews Microbiology
IF：78.297
發(fā)表時間：2021.11
通訊作者：束文圣 & 黃立南
通訊作者單位：華南師范大學生命科學學院 & 中山大學生命科學學院
DOI號：10.1038/s41579-021-00648-y
1 前言
極端環(huán)境，如陸地溫泉和深海熱液噴口，冰川和永久凍土，高鹽生境，酸性礦井排水（AMD），廣泛分布在全球各地（圖1）。盡管這些極端環(huán)境生存條件惡劣（圖1），但這些生境為來自所有三個生命領域的廣泛微生物提供了多樣的生態(tài)位。微生物已經(jīng)進化出不同的策略來應對極端（BOX1）的環(huán)境壓力，定義了生命生存的物理和化學極限。一些極端環(huán)境由于其較低的生物復雜性、非培養(yǎng)分子分析的整體可操作性以及地球化學和生物過程之間的緊密耦合，成為微生物生態(tài)、進化和環(huán)境適應研究的理想之地（BOX2）。
一直以來，微生物學家主要依靠培養(yǎng)的方法開展研究。因此，早期的生理生態(tài)學研究主要集中在一些相對容易從各種極端生境中分離出來的“模式”微生物上。后來的獨立培養(yǎng)調查（例如，16S核糖體RNA基因克隆文庫分析）方法，揭示了微生物有著巨大的多樣性，這在純培養(yǎng)中是無法體現(xiàn)的。此外，高通量基因標記測序使微生物多樣性得到更深入、更廣泛的分析，這種技術也被應用于檢查更廣泛的微生物分布模式以及去尋找影響這些微生物大規(guī)模生態(tài)范圍的因素。總之，這些分子研究手段大大擴展了我們對地球上主要極端環(huán)境中微生物多樣性的認識，揭示了微生物群落具有相對較低至中等復雜性，以及廣泛地理分布的少數(shù)優(yōu)勢物種的高豐度特征。
新的基因組測序和計算方法的應用為全面了解不同時空尺度和沿著特定地球化學梯度的微生物群落代謝能力和動態(tài)特征提供了技術支持。更重要的是，有利于對未開發(fā)門級群落基因組（候選門）的研究，這大大擴展了我們對生命樹的看法。這些基因組數(shù)據(jù)為研究古細菌和細菌的代謝多樣性和生態(tài)作用，以及早期生命的進化和真核生物的起源提供了新的視角。
本文綜述了目前對地球主要極端環(huán)境中細菌和古菌的多樣性、生態(tài)和進化的相關研究。
圖1. 代表性極端環(huán)境的全球分布：每個極端環(huán)境點都標有特定的顏色。 每個極端環(huán)境都會對其生存的微生物群落多重脅迫（左下）。
Box 1. 微生物對極端環(huán)境的適應
極端環(huán)境具有極高或極低的溫度或pH值，高鹽度或高壓力，低水平的營養(yǎng)素及其特定組合，對生存有著重大挑戰(zhàn)。然而，一些微生物（極端微生物）在脅迫條件下已經(jīng)進化為獨特的存活策略（大多數(shù)極端微生物需要這種條件才能生長和繁殖）。已經(jīng)進行了廣泛的研究以揭示它們在分子水平上的適應性。
嗜熱菌的高溫適應： 通過增加飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸（細菌）的比例或采用單脂層（古菌）來修改細胞膜；生產(chǎn)熱休克蛋白和熱穩(wěn)定蛋白；通過具有高G+C含量或通過嗜熱特異性酶反向DNA促旋酶引入的正超螺旋來維持DNA穩(wěn)定性。
嗜冷菌的低溫適應： 改變細胞膜的脂質組成（例如，通過增加不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的比例）以保持流動性；產(chǎn)生使細胞能夠在低溫條件下存活的專門蛋白質或其他分子（例如，冷適應蛋白質，冷休克蛋白質，冷適應蛋白質，抗凍劑和冰結合蛋白質以及滲透物）；進入休眠狀態(tài)限制代謝活動。
嗜鹽菌的高鹽適應性：通過在細胞質中積累（通過K+/Na+逆向轉運蛋白）高水平的無機鹽（KCl）來維持滲透穩(wěn)態(tài)（“鹽入”策略，主要見于古細菌）；通過生物合成和/或積累有機和相容的滲透溶質實現(xiàn)滲透平衡，從而從細胞質中排除鹽（“鹽析”策略，主要見于細菌和真核生物）。
嗜酸菌中的酸適應：限制質子通過反向膜電位或高度不可滲透的細胞膜流入細胞質，促進過量的質子外流，有機酸降解或次級轉運蛋白占優(yōu)勢；用細胞質緩沖維持細胞內pH值，用“鐵鉚釘”穩(wěn)定蛋白質結構和酶的功能，當質子進入細胞質后，用伴侶修復低pH值造成的DNA和蛋白質損傷。
嗜酸菌中的金屬適應：促進有毒金屬從細胞質中流出，通過細胞內或細胞外結合隔離金屬以降低其毒性作用，排除具有滲透屏障的金屬，改變細胞成分以降低細胞靶標對有毒金屬的敏感性，并將金屬酶促轉化為毒性較低的形式；將游離金屬與硫酸鹽絡合以防止金屬離子進入細胞，并通過內部陽性細胞質跨膜電位建立對金屬流入的被動耐受性。
Box 2. 極端環(huán)境作為微生物生態(tài)學研究的模型。
天然微生物群落具有固有的多樣性和復雜性。我們無法在環(huán)境中培養(yǎng)大多數(shù)微生物，因此無法深入了解這些生態(tài)群落的組裝、動態(tài)和進化。
極端環(huán)境中微生物組合的多樣性相對較低。這些獨特的生態(tài)系統(tǒng)由于其生物學和地球化學上的簡單性、自我可持續(xù)性和明顯的物種相互作用、無機過程和生物過程之間的緊密耦合以及強烈的環(huán)境梯度，具有作為微生物生態(tài)學和進化研究模型的潛力。
然而，許多極端環(huán)境的微生物探索面臨著重大挑戰(zhàn)，特別是與采樣（技術和資金方面）和核酸提?。ǖ蜕锪亢透蓴_物質問題）相關的困難。盡管如此，有一些系統(tǒng)在分子分析和整體處理方面特別突出。這些例子包括美國鐵山里士滿礦的酸性礦井排水生物膜，以及美國黃石國家公園的堿性硅質溫泉中的藍藻菌墊（具有極低的多樣性群落），西班牙的圣波拉多池鹽場群落。墨西哥Guerrero Negro的高鹽席（群落沿鹽度或環(huán)境梯度表現(xiàn)出明顯的組成和功能變化）、南美洲阿塔卡馬沙漠鹽巖結核中的嗜鹽微生物群落（每個結核代表一個接近封閉的微型生態(tài)系統(tǒng)，其中包含一個易受環(huán)境變化影響的特殊群落），新西蘭地獄火山口湖（微生物種群隨著獨特的周期性熱分布而波動，其中春季化學成分保持穩(wěn)定）等等。
值得注意的是，里士滿礦山的嗜酸生物膜已經(jīng)成功地用于各種分子和組學方法的開發(fā)和改進，這些方法隨后被廣泛應用于中等多樣性甚至中等高度多樣性的群落?？傊?，幾十年來廣泛的分子和宏組學研究極大地提高了我們對極端環(huán)境下生物多樣性、群落結構和功能、種群動態(tài)和進化的理解。這些進展促進了我們對其它更復雜的自然微生物生態(tài)系統(tǒng)的探索。
2 微生物多樣性和微生物的主要新譜系
生物多樣性相對較低的極端環(huán)境，特別是美國黃石國家公園（Yellowstone National Park，YNP）的陸地地熱泉，在早期的自然生態(tài)系統(tǒng)的16S rRNA基因克隆文庫中占據(jù)顯著地位，關于它的研究徹底改變了我們對地球微生物多樣性的理解。隨后進行的廣泛基因研究為聚集在各種極端生境微生物的組成和多樣性做出了一個相對全面的解釋，最終的結果得到了的宏基因組分析技術（metagenomic analysis）的支持（圖2）。
極端環(huán)境由于其在多個地理尺度上的離散分布，有著廣闊的地球化學和物理梯度以及微生物群落結構相對受限，特別適合微生物生物地理學的研究。雖然極端生境中微生物群落潛在的生態(tài)和進化過程及其它們產(chǎn)生的相關影響仍然知之甚少，但高通量16S rRNA擴增子測序（16S rRNA amplicon sequencing）已經(jīng)能夠對這些極端微生物大規(guī)模生態(tài)范圍的模式進行表征。 盡管在極端環(huán)境中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量以前未知的微生物，但由于缺乏純培養(yǎng)，我們對它們的生理學和生態(tài)學的了解受到了阻礙。
基因組解析的宏基因組學和單細胞基因組學可以直接從環(huán)境中重建接近完整的微生物基因組，為這些神秘的極端微生物的代謝潛力和進化史提供了初步的見解。極端環(huán)境的基因組分析也使許多之前被基因標記分析忽略的主要、深分支譜系的發(fā)現(xiàn)和基因組的表征變得可行。總之，這些獨立培養(yǎng)的基因組學研究已經(jīng)極大地擴展了生命樹系統(tǒng)發(fā)育的廣度和基因組的表達，尤其是在古細菌領域（圖3）。
2.1 陸地地熱噴泉
地球上存在各種各樣的陸地地熱噴泉（例如，YNP擁有超過14000個溫度范圍為40~92℃的地熱特征），開創(chuàng)了極端環(huán)境微生物研究的先河，并歷史性地發(fā)了嗜熱菌（Thermophily）。以培養(yǎng)為基礎的研究和分子調查已經(jīng)確定，世界各地采集的溫泉水樣本中，產(chǎn)水菌門（Aquificae）、變形菌門（Proteobacteria）和泉古菌門（Crenarchaeota）往往占主導地位（圖2）。重要的類群包括碳同化型Hydrogenobaculum spp.、硫氧化型熱變形菌屬（Thermoproteus spp.）和硫化葉菌屬（Sulfolobus spp.），以及固氮型嗜酸硫桿菌屬（Acidithiobacillus spp.）。在同一泉源的水和沉積物微生物群落之間發(fā)現(xiàn)具有顯著的差異，這種生態(tài)分化可能是由資源可用性（例如，溶解基質或最低基質）的差異驅動的。
具體來說，沉積物群落表現(xiàn)出相對較高的物種均勻性，并以礦物基代謝作用（如硫氧化或還原作用或鐵氧化物還原作用）相關的類群為主。在YNP的堿性硅質泉中生長的微生物席已得到廣泛的研究，顯示其群落多樣性極低，主要以來自藍藻細菌（Synechococcus spp.聚球藻屬）和綠彎菌門（Roseiflexus和Chloroflexus spp.嗜熱光合屬和綠彎菌屬細菌）的葉綠素光養(yǎng)細菌（chlorophototrophs）占優(yōu)勢。
在不同的空間和時間尺度下的微生物生物地理學研究中，溫度是影響群落組成的最大因素。然而，最近，對來自新西蘭陶波火山帶925個溫泉的大量16S rRNA基因數(shù)據(jù)集的空間統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，溫度僅在70℃以上對多樣性有顯著影響，低于70℃時pH值成為了主要的驅動因素。 初古菌門（Korarchaeota）最初是在YNP黑曜巖池中發(fā)現(xiàn)的，但后來被發(fā)現(xiàn)廣泛分布于其他地理上分離的陸地和海洋熱環(huán)境中（圖3）。從黑曜巖池沉積物建立的富集培養(yǎng)中純化的初古菌門細胞的全基因組鳥槍測序（Whole-genome shotgun sequencing）結果得到一個完整的重組基因組'Candidatus Korarchaeum cryptofilum’，這為深入研究這些分支較深的古細菌的生物學提供了初步的線索。
古細菌可能依賴肽發(fā)酵來獲得碳和能量，但明顯缺乏合成必需生物分子的（如嘌呤、輔助因子和輔酶a）的能力，表明其依賴于其他群落成員。最近深海熱液沉積的宏基因組分析擴展了Korarchaeota的基因組表征。 曙古菌門（Aigarchaeota）首次發(fā)現(xiàn)于地下中等酸性的溫泉絲狀流質群落（圖3）。第一個基因組'Candidatus Caldiarchaeum subterraneum’的特征表明，其具有有氧氫氧化或一氧化碳氧化和潛在的碳固定能力。隨后的宏基因組學和宏轉錄組學研究表明，在Octopus Spring（YNP）的“粉色絲狀”藻群落中的曙古菌門是具有自養(yǎng)潛力的好氧化學有機養(yǎng)菌，而騰沖溫泉沉積物中的曙古菌門基因組席（Genome bins）的分析表明，其具有為了節(jié)約資源的完全或兼性厭氧的生活方式和硫化物氧化能力。
生存于不同地熱環(huán)境中的新細菌譜系的發(fā)現(xiàn)，恢復壯大了基因組組合，這些新細菌包括候選門Acetothermia，F(xiàn)ervidibacteria，Calescamantes，Atribacteria和Pyropristinus。Atribacteria廣泛分布于各種厭氧環(huán)境中，該候選門包括OP9譜系及其姐妹譜系JS1。OP9譜系最初發(fā)現(xiàn)于YNP黑曜巖池，JS1譜系在富含甲烷的海洋沉積物中尤其豐富，是海底環(huán)境的一個特征類群。對Atribacteria的宏基因組和單細胞基因組的分析表明，Atribacteria是異養(yǎng)的厭氧菌，缺乏呼吸能力，發(fā)酵和共營養(yǎng)是它們共同的生理特征，表明它們在缺氧環(huán)境中的碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用。在全球大量新微生物譜系宏基因組數(shù)據(jù)的調查中，Kryptonia在高溫且pH接近中性（Circumneutral）的地熱泉中發(fā)現(xiàn)。對其近完整的基因組的分析表明，這種異養(yǎng)生活方式具有獨特的代謝途徑和明顯的營養(yǎng)缺陷，表明它參與了與其他群落成員（如Armatimonadetes）譜系的代謝且彼此間存在合作關系，這可能補充了Kryptonia缺失的代謝。
2.2 深海熱液噴口
深海熱液噴口的溫度取決于噴口類型，擴散流噴口（僅高于環(huán)境溫度幾度，低于100℃）、白煙噴口（100~300℃）和黑煙噴口（高達400℃）。這些被還原的帶熱電荷的流體，當與含氧海水混合時，為微生物在熱環(huán)境中的代謝提供了豐富的氧化劑和還原劑。環(huán)境調查研究了噴口場內部和噴口場之間不同的微生物群落（圖2）。
盡管溫度是微生物分布的一個重要決定因素，但直接受地質環(huán)境的影響的流體化學的變化決定了巖生生物可獲得的能量，成為另一個關鍵的影響因素。鎂鐵質（玄武巖）中的低pH值、富金屬和富硫化物熱流體環(huán)境通常由硫呼吸和氫呼吸的ε-變形桿菌、產(chǎn)甲烷和硫酸鹽還原的Euryarchaeota以及不可培養(yǎng)的SUP05/Arctic96BD-19ε-變形桿菌分支占優(yōu)勢，而相關的黑煙型煙囪則由ε-變形桿菌、Aquificales和深海熱液噴口的廣古菌門占優(yōu)勢。相比之下，在超鎂鐵質（橄欖巖）熱液系統(tǒng)中，噴流富堿性、富氫和富甲烷流體，該領域的微生物還未被探索。
迄今為止，對少數(shù)已知的超鎂鐵質場所的基因標記研究記錄了與鎂鐵質系統(tǒng)相對的不同微生物組合。在大西洋中脊的熱液活動區(qū)，高溫、活性碳酸鹽煙囪內部缺氧的環(huán)境中，主要是甲烷八疊球菌目（Methanosarcinales），而更冷、含氧的外部則由更多樣化的群落組成，包括硫氧化和甲烷氧化細菌和硫酸鹽還原細菌。相比之下，來自該地點的高溫生境的噴口流體中的主要微生物是熱球菌目和未培養(yǎng)的泉古菌門類群。 納米級超嗜熱古菌（hyperthermophilic）'Candidatus Nanoarchaeum equitans’和來自海洋熱液噴口泉古菌中的燃球菌屬（Ignicoccus sp.）共培養(yǎng)使納古菌門（Nanoarchaeota）得以發(fā)現(xiàn)（圖3）。對'Candidatus Nanoarchaeum equitans’的基因組測序顯示其基因組縮減（小于0.5Mb），是極緊湊的基因組，為信息處理和DNA修復機制編碼，但缺乏氨基酸、核苷酸、脂類或輔助因子生物合成的基因，這意味著其具有專性共生方式的生活方式。
環(huán)境調查顯示，納古菌門還存在于其他極端環(huán)境中，包括海洋熱液沉積物、陸地溫泉和高鹽生境。最近，來自單細胞基因組學的發(fā)展使有效的培養(yǎng)條件得以突破，使得從YNP的一個弱酸性溫泉中分離出外共生納米古菌'Candidatus Nanopusillus acidilobi’及酸葉菌屬（Acidilobus）宿主（一個泉古菌）的純共培養(yǎng)成為可能。 對超級門Asgard【包括最初發(fā)現(xiàn)于洛基城堡熱液噴口油田的Lokiarchaeota和Thorarchaeota，以及后續(xù)發(fā)現(xiàn)于多個地理分離地點（主要是地熱環(huán)境）沉積物中的Odinarchaeota和Heimdallarchaeota】的宏基因組檢測結果可為真核生物的形成過程提供了新的證據(jù)（圖3）。
這些候選菌門包含真核生物最接近的古菌親屬，重組的基因組富含真核生物的特征蛋白，一些編碼同源基因甚至可能參與膜運輸、囊泡的生成、泛素和細胞骨架的形成，從而為真核生物宿主細胞存在于古菌中提供了有力的支持。最近，從深海海洋沉積物中獲得了Asgard古菌的第一個分離株，與洛基古菌相關的'Candidatus Nanopusillus acidilobi’菌株MK-D1，是真核生物基因研究中前所未有的發(fā)現(xiàn)。
2.3 冰凍圈
寒冷生態(tài)系統(tǒng)（溫度低于5℃）非常多樣化，當前的微生物生態(tài)學研究主要集中于冰凍圈中的冰川層和永久凍土層。從冰表層到冰下生態(tài)，不同的生態(tài)系統(tǒng)為大量的微生物細胞提供了不同生境。在融雪季節(jié)，具有較強次生色素沉著能力的藻類（如衣藻科和接合藻科）在光合作用活躍的冰上群落中具有生態(tài)優(yōu)勢。冰穴（Cryoconite holes）是冰上生境中微生物研究的熱點，藍藻是主要的初級生產(chǎn)者，其中顫藻屬（Oscillatoria）、鞘絲藻屬（Leptolyngbya）、席藻屬（Phormidium）和念珠藻屬（Nostoc）是研究最多的簇狀菌屬。
環(huán)境調查表明，全球范圍內均有藍藻的種類分布，并且在冰穴中細菌群落具有顯著的時間變化特征。具體而言，融雪后自養(yǎng)藍藻菌占主導地位，而異養(yǎng)鞘脂桿菌目（Sphingobacteriales）種群數(shù)量則是在季節(jié)過后大量增加。盡管在不同的地理區(qū)域（特別是極地和高山冰川）上有顯著的差異，但冰層生境中也存在大量異養(yǎng)細菌的活動，這些菌群主要包括變形菌、放線菌門、擬桿菌門、綠彎菌門和浮霉菌門（圖2）。
冰下環(huán)境具有不同的地球化學特征，主要包括基底冰、冰下水和飽和沉積物。但由于獲取這些環(huán)境的樣本具有的一定的困難，因此樣本很少。這些未被充分研究的生境中的菌落主要以專性能自養(yǎng)的變形菌門群落為主。由于全球變暖和永久凍土融化引發(fā)的生態(tài)后果以及有關的原有微生物的活化，使得永久凍土受到了越來越多研究人員的關注。分子分析表明，極地凍土土壤中最豐富的細菌為綠彎菌門、變形菌門和放線菌門，它們的物種多樣性和功能多樣性普遍低于季節(jié)性凍融層。相比之下，山地多年凍土由于其極端空間變異和地溫變異的特點，研究較少。最近一項對歐洲高山凍土的微生物多樣性研究表明，該微生物群落富含超級門-髕骨細菌門，其中包括幾個被預測會降低代謝能力的候選門，因此是一種外共生的生活方式（Ectosymbiotic lifestyle）。
圖2. 不同極端環(huán)境下的微生物群落組成。
細菌和古菌的相對豐度是基于具有核糖體蛋白S3（rpS3）標記基因支架的相對覆蓋度（僅詳細描述了相對豐度為1%或更高的那些）計算。原始讀數(shù)下載于美國國家生物技術信息中心和美國能源部聯(lián)合基因組研究所數(shù)據(jù)庫，用Trimmomatic對數(shù)據(jù)進行質控并使用Megahit進行組裝。使用CheckM對rpS3序列進行組裝，并使用Bowtie2和SAMtools獲取覆蓋信息。CPR，候選門級輻射類群；YNP，黃石國家公園。每個棲息地的數(shù)據(jù)來源如下：為陸地地熱泉（墊，沉積物和水流）；深海熱液噴口（流體和煙囪）；冰川和多年凍土環(huán)境；高鹽環(huán)境（圣波拉鹽場，泰瑞爾湖和深湖）；陸地和海洋地下（陸地地下水和沉積物，火成洋殼和海底沉積物）；和酸性礦山排水（生物膜，水流和沉積物）（具體來源參照原文）。
2.4 高鹽環(huán)境
對于高鹽環(huán)境（例如鹽湖和鹽場），圣波拉鹽場（西班牙阿利坎特）是一個值得關注的典型，它因具有全尺度的鹽濃度而得到廣泛的研究，關于它的研究揭示了群落結構在不同梯度下的急劇變化，在鹽度最高的情況下古菌占有最大優(yōu)勢。具體來說，在飽和鹽水中，原核生物多樣性主要是以古菌Haloquadratum walsbyi和擬桿菌Salinibacter ruber占優(yōu)勢，在中等鹽度條件下則觀察到更多樣化的細菌和古菌類群。泰瑞爾湖（維多利亞，澳大利亞）是一個海生鹽湖（Thalassohaline salt lake），環(huán)境條件尤其是鹽濃度受季節(jié)性變化的影響，因此是一個可與圣波拉鹽場作對比的生境。
群落組成通常隨時間和空間的變化而變化，離子濃度的季節(jié)性波動已經(jīng)被證明是驅動微生物演替的因素。此外，在鹽蒸發(fā)池中由于物理化學梯度，特別是光、氧和硫化物梯度，廣泛的底棲微生物席高度分層。值得注意的是，對墨西哥格雷羅內格羅（Guerrero Negro）的高鹽墊的剖面進行了廣泛的16SrRNA基因測序，發(fā)現(xiàn)它們是目前已知的系統(tǒng)發(fā)育最多樣化和最復雜的環(huán)境之一，發(fā)現(xiàn)了幾個新的門水平細菌群和許多以前未檢測到的低水平分類群。 對泰瑞爾湖地表水中提取的多個文庫進行從頭宏基因組組裝，導致納米鹽古菌（Nanohaloarchaeota）在超門DPANN（所含第一個門的名稱的首字母縮寫）中發(fā)現(xiàn)。
這些超微但代謝多樣的嗜鹽菌廣泛分布在全球高鹽水生境，它們曾被認為是自養(yǎng)型，但南極納鹽古菌菌株的共培養(yǎng)研究則證明這些嗜鹽古菌對宿主具有依賴性。同時，單細胞基因組學能夠解決候選細菌門KB1的系統(tǒng)地理學、滲透脅迫適應和代謝潛力問題。高鹽堿湖沉積物的廣泛宏基因組測序恢復了871個基因組席，包括候選門級輻射類群（CPR）的成員，其中有幾個是原位最占優(yōu)勢的類群，這些豐富的CPR生物可能作為發(fā)酵劑在初級碳降解中發(fā)揮作用。
2.5 地下環(huán)境
深層地下環(huán)境可操作性地定義為持續(xù)存在于地面或海底以下至少1米的環(huán)境。海洋地下沉積物是地球生物圈的主要組成部分。盡管受到嚴重的能量限制，微生物仍可持續(xù)潛到海底深處，而且它們的長期代謝活動可能在全球生物地球化學循環(huán)中起著基礎作用。
環(huán)境調查揭示了大量來自典型“海洋深層生物圈”的未培養(yǎng)的微生物，它們在地理和地球化學不同的地點的群落組成中占據(jù)很大的一部分（圖2）。這些常見的譜系包括暗黑菌門、綠彎菌門以及古細菌內優(yōu)勢門相關的新的系統(tǒng)發(fā)育譜系，如奇古菌門（Thaumarchaeota）（特別是海洋I群）、深古菌門、洛基古菌和海洋底棲古菌E群。海洋下微生物的垂直分布模式已經(jīng)有很好的研究和記錄，揭示了物種豐富度會隨沉積物深度或年齡的增大而降低，以及普遍存在的廣泛分類群的優(yōu)勢種群也會隨之有著顯著的分層。這種群落組成的變化已被證明是由能量的可用性降低引起的，由此引發(fā)微生物活性和豐度的下降，這同環(huán)境條件的變化有關?；鸪傻暮Ｑ蟮貧ぬN藏著地球上最大的蓄水層，盡管取樣和原位實驗技術不斷進步，但在這種地下生境中探索微生物仍然具有很高的挑戰(zhàn)性。開拓性的研究已經(jīng)揭示了本地微生物的組合，這些組合與居住在附近和相關環(huán)境中的微生物（例如，熱液流體和羽流，以及深海水）截然不同。
這種差異很大程度上是由細菌分支驅動的，尤其是厚壁菌門，這似乎是這個難以接近的系統(tǒng)所特有的。與此同時，最近的一項研究首次探索了埋藏在巖石化的下海洋地殼（占地殼體積的三分之二）中的微生物群，揭示了其分布不均并具有應對低營養(yǎng)和波動的地下條件的異養(yǎng)型、超低生物量需求的群落。 陸表以下也是地球原核生物的主要聚集地。然而，由于可接近性差，對這一地下的微生物多樣性的探索程度仍然相對不足。
環(huán)境調查記錄了各種地質環(huán)境中多樣的微生物群落，這些地質環(huán)境盡管普遍存在營養(yǎng)和能源匱乏的情況，如深層原始含水層、火成巖和變質巖等。最近，一份來自全球大陸地下地區(qū)的細胞濃度和微生物多樣性數(shù)據(jù)匯編發(fā)現(xiàn)，細菌在數(shù)量上比古菌更豐富，其中，細菌群落以變形菌門為主，古菌群落以甲烷微菌奇古菌門為主。雖然沒有確定預測物種豐富度可靠的因子，但發(fā)現(xiàn)群落組成和樣品巖性之間具有統(tǒng)計學上顯著的相關性。同時有一些類似的研究，隨著環(huán)境變量（包括溫度和地球化學成分）或沿著陸地地下深度樣帶的變化所引起的群落組成的變化。
宏基因組學研究發(fā)現(xiàn)，在地表下，特別在陸地地區(qū)，存在著大量以前未知的細菌和古菌。在眾多候選或很少被研究的門中，特別令人感興趣的是那些與CPR和DPANN有關的門，目前許多可用的基因組是從美國Rifle附近科羅拉多河的含水層重建的（圖3），對CPR細菌的第一批基因組的分析表明，超小細胞在碳和氫循環(huán)中起作用并具有阻止其培養(yǎng)的代謝限制。隨后對完整和分散的CPR基因組的大規(guī)模重組表明這些生物與其他細菌的區(qū)別：小基因組（通常小于1Mb）、大多缺乏大量的生物合成途徑（即，不完整的三羧酸循環(huán)和核苷酸和氨基酸生物合成途徑，缺乏電子傳遞鏈復合物，因此表明代謝依賴于其他群落成員）、自剪接內含子和編碼在其rRNA基因中的蛋白質（這一特征在細菌中很少發(fā)生），以及不尋常的核糖體組成（所有缺失的核糖體蛋白L30和特定的譜系缺失的核糖體蛋白L9和生物發(fā)生因子GTPase Der），這些特征表明這是細菌領域內一個獨特的細分。
與此同時，從這個地下位點回收的基因組席極大地擴大了該領域古菌基因組的取樣范圍：具有小基因組的主要輻射、新的蛋白質組組成和強相互依賴性（DPANN13），這些發(fā)現(xiàn)與CPR細菌的發(fā)現(xiàn)類似。根據(jù)為這些神秘古細菌重建的第一個完整基因組，可以有把握地預測不完整或缺失的途徑。
2.6 酸性礦井排水（AMD）
AMD環(huán)境中的微生物物種豐富度受到逆境的限制，特別是低pH、高水平的有毒金屬和有限的電子供體和受體范圍的限制。由于這些嗜酸組合在AMD和工業(yè)生物采礦（Biomining）過程中具有潛在應用價值而受到廣泛的研究。AMD群落主要由變形菌門、硝化螺旋菌綱（Nitrospira）和廣古菌門（Euryarchaeota）組成，其中包括研究最廣泛的鐵氧化劑/硫氧化劑硫桿菌屬（Acidithiobacillus spp.）和鉤端螺菌屬（Leptospirillum spp.），它們在氧化硫化物礦物溶解中起重要作用，以及鮮為人知的鐵氧化劑Ferrovum spp.，它們在中等酸性條件下富集。
AMD生態(tài)系統(tǒng)中生長的生物膜通常具有非常低的多樣性，因此是研究自然環(huán)境中生態(tài)過程的理想目標。美國鐵山里士滿礦的化學自養(yǎng)生物膜通常由一或兩種鐵氧化自養(yǎng)細菌占主導，例如，鉤端螺旋體II組（圖2）。細菌、古菌和真核生物的非優(yōu)勢異養(yǎng)和混合營養(yǎng)種群也可能根據(jù)生物膜發(fā)育階段或取樣空間的不同而具有不同的豐度。AMD生態(tài)系統(tǒng)在地球化學條件上經(jīng)常有著巨大的時空變化，先前的調查顯示在里士滿礦中，古菌相對豐度的顯著波動與pH和電導率的季節(jié)性變化有關。最近，一項研究調查了中國東南部和全球各地具有地球化學多樣性的AMD地點的微生物生態(tài)分布。
結果表明，無論地理位置隔離程度如何，pH值都是影響群落結構的主要因素。有趣的是，這種依賴于pH值的模式在局部范圍也很明顯，這在隨后對一個大規(guī)模和高度異質性的尾礦場（Tailings）的多樣性調查中也得到了證明。 里士滿礦山低復雜度AMD生物膜代表了最初通過宏組學方法探索的天然微生物群落。廣泛的Sanger宏基因組測序使得超小古菌譜系ARMAN（里士滿礦嗜酸納米古菌）—小古菌門（Parvarchaeota）和Microarchaeota的發(fā)現(xiàn)（圖3）。這種復合基因組具有異常高的編碼密度，并且含有大量未知生物學功能的基因。隨后對全球分布的包含類ARMAN生物體的宏基因組數(shù)據(jù)集進行了分析，表明它們在AMD和溫泉環(huán)境中普遍存在，以及它們在原位碳、氮和鐵循環(huán)存在潛在參與。
最近，一項研究報道了將一種類似ARMAN的生物體'Candidatus Mancarchaeum acidiphilum’Mia14與英國帕瑞山的硫化物礦石中的Cuniculiplasma divulgatum PM4（熱原體綱）共培養(yǎng)。深度基因組測序能夠組裝高度富集的Mia14群體的完整基因組，這表明中樞代謝途徑中存在嚴重的空隙（例如，缺乏用于核苷酸和許多氨基酸生物合成的最小酶組，并且維生素和輔助因子的合成途徑不完整），表明是寄主依賴型的生活方式。
2.7 其他極端環(huán)境
蘇打湖含有高濃度的碳酸鈉，是地球上主要的自然堿性環(huán)境。在這些獨特的水生生態(tài)系統(tǒng)中，嗜鹽嗜堿微生物群會面臨高pH（9.0 - 12.0）和鹽度（達到飽和濃度）相關的多重脅迫?；蛘{查顯示鹽濃度可能是決定微生物多樣性和分布的主要因素。而低鹽度和中鹽度湖泊包含相對多樣的微生物群落，以α-變形菌綱（主要為紅桿菌科）和γ-變形菌綱（如Halomonas和Thioalkalivibrio）為主，高鹽鹽湖的微生物種群與高鹽鹽田中鹽水的微生物種群相似，并表現(xiàn)出低多樣性和極端嗜鹽鹽細菌占優(yōu)勢的特征。 干旱生態(tài)系統(tǒng)約占全球陸地表面的41%，特別容易受到氣候變化和土地退化的影響。干旱度用降水量與潛在蒸發(fā)蒸騰量（evapotranspiration）之比來衡量，在塑造全球旱地土壤微生物群落的多樣性和組成方面起著主導作用。
具體而言，干旱程度增加后通過減少植被和土壤有機碳的含量來顯著降低微生物的多樣性和豐度。盡管存在多種極端條件，但干旱土壤中仍存在多種細菌譜系，如放線菌門、綠彎菌門、厚壁菌門、芽單胞菌門和變形菌門。
低溫和高壓主導著的黑暗海洋環(huán)境（在光帶之下），是地球上最大的微生物水生棲息地。原核細胞豐度隨水柱深度的增加而減少。基因標記研究和宏基因組分析表明深海微生物群落具有深度依賴模式，海洋最深水域微生物的多樣性增加。驅動這種多樣性趨勢的因素在很大程度上尚不清楚，但深水循環(huán)和底棲生物過程被認為在其中發(fā)揮著作用。深海細菌群落主要由變形菌門（α-變形菌綱，γ-變形菌綱和δ-變形菌綱）、綠彎菌門和放線菌門占優(yōu)勢，而古菌群落以海洋I群泉古菌門為優(yōu)勢菌群。
圖3. 古生菌域的基因組樹顯示了目前提出的主要譜系（門）。
美國國家生物技術信息中心（NCBI）數(shù)據(jù)庫GenBank（2021年2月23日）中的所有古細菌基因組（宏基因組組裝，單組裝和分離組裝的基因組）均已下載并使用dRep進行冗余分析（版本3.2.0；參數(shù)'-comp 80-con 5'選擇完整性超過80%且污染少于5%的基因組）。對于納古菌門，Pacearchaeota，Huberarchaea和Hydrothermarchaeota，由于沒有相關的基因組符合此標準，閾值較低（'-comp 70-con 5'）為了減少計算量并簡化說明，只選擇了已建立好的泉古菌門和Euryarchaeota代表性基因組的兩個主要分枝。在系統(tǒng)發(fā)育基因組分析中共包括553個基因組。
該樹是根據(jù)122個古細菌的連鎖比對使用IQtree 2.1.2版進行1000次超快自舉迭代的特異性保守標記基因。通過貝葉斯信息準則確定最佳擬合LG+F+R10模型。使用GTDB-Tk生成級聯(lián)比對。支持值為70%或更高顯示為黑色圓圈。比例條表示每個位點的替換次數(shù)。彩色圓圈顯示了根據(jù)來自宏基因組或單個基因組的基因組描述的每個新的潛在門級組進行第一次基因組取樣的環(huán)境細胞（最左邊），與NCBI數(shù)據(jù)庫中當前可用的每個門相關的所有基因組的棲息地分布（中間；在三個極端環(huán)境中，大多數(shù)基因組被檢索到，餅狀圖顯示從極端環(huán)境與非極端環(huán)境中檢索到的基因組的相對豐度），當下的培養(yǎng)現(xiàn)狀（未培養(yǎng)，富集培養(yǎng)，共培養(yǎng)和純培養(yǎng)）（1）對于Huberarchaeota和Hydrothermarchaeota等一些門，目前可用的基因組僅限于一個或兩個極端環(huán)境，（2）對于Helarchaeota和曙古菌門，只有少數(shù)基因組（少于10個）可用，（3）用于發(fā)現(xiàn)Geoarchaeota的溫泉宏基因組組裝基因組僅保存在美國能源部聯(lián)合基因組研究所數(shù)據(jù)庫GOLD中。
重要的是，幾乎所有提出的古菌門最初都是通過分子方法在各種極端環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的（16S核糖體RNA基因研究，特別是最近的宏基因組學或單細胞測序），或者如泉古菌門，通過培養(yǎng)獲得。DPANN，是超級門（Diapherotrites，Parvarchaeota，Aenigmarchaeota，Nanoarchaeota和Nanohaloarchaeota）。
3 群落的功能和動態(tài)
大多數(shù)未培養(yǎng)的微生物限制了我們分析時空格局下微生物群落結構基礎生理生態(tài)的能力。宏基因組無需培養(yǎng)，可以直接從環(huán)境中恢復基因組、轉錄和表達的基因信息，具有深入了解所有群落成員的功能和生態(tài)作用的意義。
總體而言，極端環(huán)境群落的多組學研究揭示了參與能源節(jié)約、碳固定和氮代謝以及抵抗極端環(huán)境脅迫的優(yōu)勢基因家族。與此同時，比較組學分析已被應用與分析地理上分離的微生物群落，并用于探索不同時空尺度不同環(huán)境梯度下微生物群落的功能及動態(tài)變化。這些研究已經(jīng)確定了群落或分類單元和環(huán)境變量之間有趣的聯(lián)系，這有助于理解不同的微生物分布模式。 一些研究報告了YNP中微生物群落的宏基因組分析，這些微生物群落在地球化學上具有明顯的地熱特征。
重建了優(yōu)勢成員（包括一些新的、以前未檢測到的譜系）的基因組，解析了其代謝潛力和策略，以及與環(huán)境特征和原位地球化學過程存在的潛在聯(lián)系。Bison Pool堿性泉流出口沿線嗜熱生物膜的比較宏基因組學表明，微生物群落從池中的化學營養(yǎng)群落（92°C）過渡到外圍群落（56°C）的光營養(yǎng)群落，同時伴隨著與環(huán)境條件和能量可用性變化相關的群落結構和代謝功能的急劇變化（圖4）。
另外兩項研究使用了宏轉錄組學方法來分析堿性硅質Mushroom Spring的光營養(yǎng)微生物席的時間序列（在一個Diel cycle中）。原位基因轉錄模式，特別是與光合作用相關的基因轉錄模式，揭示了占主要優(yōu)勢的光養(yǎng)生物通過采取不同的策略來最大限度地捕獲和利用太陽能，并證明了絲狀無氧光合營養(yǎng)體如何在基因轉錄水平上響應不斷變化的環(huán)境條件。
冰凍圈的組學研究主要集中在凍土上，特別是人為解凍或沿自然融化梯度的群落動態(tài)。 對阿拉斯加7天內凍土解凍的微生物群落的宏基因組分析表明，群落組成和功能反應強烈，特別是與碳和氮循環(huán)相關的基因和代謝途徑的變化。多組學已被應用于探索不同解凍狀態(tài)下的土壤微生物組合的變化，如完整的凍土、季節(jié)性凍融層和熱巖溶沼澤。在分析的土壤中，最活躍的群落成員之間存在顯著差異，優(yōu)勢微生物蛋白也發(fā)生了顯著變化（圖4）。具體來說，永久凍土層中冷休克蛋白的表達相對較高，轉運蛋白的表達較低，在沼澤土壤中涉及耐冷和其他脅迫反應的蛋白較少?？傊?，這些研究揭示了組學數(shù)據(jù)與過程測量之間的良好聯(lián)系，揭示了在低溫條件下生存的新適應策略，并為改進氣候變化情景下凍土融化過程中溫室氣體排放的模型預測提供了重要信息。 圣波拉鹽沼微生物群落的宏基因組分析，揭示了沿鹽度梯度下的生態(tài)變化（圖4）。
具體來說，比較代謝組學已經(jīng)表明中等鹽度下微生物群落相對較多，而在氯化鈉飽和下高嗜鹽菌H. walsbyi和S. ruber占優(yōu)勢。相應地，對微生物蛋白等電點分布（指示嗜鹽適應）的分析表明，隨著鹽度的增加，“鹽入”策略取代了“鹽出”策略。此外，在圣波拉宏基因組中，光異養(yǎng)生活方式（注意，光在極端高鹽環(huán)境中廣泛被作為能量來源）的質子泵的分析表明，細菌視紫紅質增加，感覺視紫紅質和鹵視紫紅質水平以及蛋白質視紫紅質水平沿鹽度梯度下降。另外還對居住在南美洲阿塔卡馬沙漠（鹽巖）的嗜鹽微生物群落的時間序列樣本的宏基因組分析顯示，比較宏基因組學揭示了罕見降雨事件后群落的獨特動態(tài)：初始反應是快速變化，恢復過程中則表現(xiàn)為更漸進的調整。
盡管最近的研究表明，地表下的環(huán)境是生物多樣性分布的熱點區(qū)，擁有許多以前未知的古菌和細菌譜系，但群落功能（特別是這些未培養(yǎng)的類群的代謝能力）如何隨深度變化仍幾乎沒有被探索。迄今為止，一項基于標記基因轉錄本的研究揭示了德國中部兩個（上、下）重疊的原始石灰?guī)r含水層中活性微生物群落具有不同的群落結構。值得注意的是，Sulfuricella和Nitrosomona在群落中占據(jù)很大優(yōu)勢，并具有通過編碼Calvin–Benson–Bassham循環(huán)來固定碳的能力，其能量可能來自還原硫和氮化合物的氧化。另一項研究使用基因組解析宏基因組學和單細胞基因組學來證明群落組成和功能的主要變化，對美國二氧化碳驅動的結晶間歇泉（Crystal Geyser）隨著地下相對水源深度的變化，不同碳固定途徑的相對重要性進行了分析。CPR細菌（代表生態(tài)系統(tǒng)中最多樣化的生物）以及DPANN和其它細分支古菌在更深的含水層中顯著富集。這些代謝能力有限的超小型微生物相互依存的生活方式和代謝合作可能使其能夠適應長期營養(yǎng)限制的地下環(huán)境條件。
組學研究對AMD及其相關環(huán)境中微生物組合的時空特征進行了表征。對地理上分離的AMD群落進行整合的宏基因組學和宏轉錄組學研究，揭示了與場地地球化學特征密切相關的基因轉錄譜。里士滿礦山內的AMD位點的嗜酸生物膜的蛋白質組學研究顯示，群落中豐度最大的細菌（鉤端螺旋體組II）的蛋白質表達對群落組成的響應更顯著，而豐度較低的細菌的蛋白質表達在很大程度上受到非生物因素的影響（例如，pH值和溫度）。同時，通過對不同酸化階段的尾礦微生物群落和AMD生物膜生態(tài)演替階段的比較分析，發(fā)現(xiàn)其功能譜發(fā)生了明顯的時間變化。早期和晚期階段的微生物群落具有不同的適應低pH和重金屬的基因，在里士滿礦生物膜群落的生態(tài)演替過程中，優(yōu)勢種鉤端螺旋體組II的生理變化得到了明顯的證明，表明了其對不同脅迫的響應。另外宏蛋白質組學研究還調查了嗜酸生物膜生物對不同pH條件和溫度的反應。結果揭示了低豐度分類群的pH依賴生態(tài)位分化和pH誘導的優(yōu)勢物種特定功能類別的變化，以及表達蛋白水平的溫度響應對個體、整個群落和特定功能的影響。
圖4. 微生物群落沿特定環(huán)境梯度的組成和功能變化。
總結了各類型極端環(huán)境下具有代表性的元組學研究結果。顯示了群落中豐富的分類單元（門、屬、種/基因型），主要或過度的代表行功能過程和相關途徑，以及主要的適應策略。垂直小箭頭（永久凍土）表示宏蛋白質組學數(shù)據(jù)中特定蛋白質表達（相對于其他兩種土壤）的高低，水平的大箭頭（高鹽環(huán)境）表明沿鹽度梯度的宏基因組中特定適應策略的相對優(yōu)勢或與特定質子泵相關的序列數(shù)量的增加。CBB，Calvin–Benson–Bassham；CPR，候選門級輻射類群；DPANN，是超級門（Diapherotrites，Parvarchaeota，Aenigmarchaeota，Nanoarchaeota和Nanohaloarchaeota）；3-HP，3-羥基丙酸酯；rTCA，反向三羧酸；rACP，還原性乙酰輔酶A途徑；TCA，三羧酸；WL，Wood–Ljungdahl。每個環(huán)境數(shù)據(jù)來源參考原文。
4 極端環(huán)境中微生物的進化
一個基本的問題是微生物如何進化和專性化，去適應極端和一些高度變化的環(huán)境條件。這個問題通過模式生物的基因組和生理學研究得到了初步解決。多位點序列分型（Multilocus sequence typing）和菌株基因組的比較分析允許檢查遺傳變異和潛在過程的模式，以及它們在自然群體中的功能意義。
重組作為定義進化過程的重要參數(shù)，在嗜鹽和嗜熱古菌中得到了廣泛的使用。研究表明，Halobacterium sp. AUS1和Sulfolobus islandicus種群頻繁重組。在Haloferax屬的不同物種之間甚至發(fā)現(xiàn)了高重組頻率的染色體長片段交換，這表明嗜鹽古菌中的重組屏障比細菌中更多。水平基因轉移（HGT）是原核基因組中基因獲得的主要來源，并假定基因含量的變化是微生物適應性進化的主要模式。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該過程在嗜鹽細菌、古菌和硫化葉菌中特別普遍。具體而言，比較基因組學揭示了HGT在S. ruber和haloarchaea之間的收斂和基因交換，這些模塊化的適應元件對S. ruber的鹽適應、能量學和光生物學有重要影響。
對極端環(huán)境中相對較低復雜度的組合進行直接鳥槍式基因組測序，可以在原位檢測種群水平和全基因組的異質性。 具體而言，群體基因組學分析顯示，在里士滿礦山AMD生物膜中優(yōu)勢類群鉤端螺旋體II組密切相關的自然種群同個體之間未發(fā)現(xiàn)基因含量有病毒介導的和質粒介導的高變異性類群有著大規(guī)模的同源重組。菌株分解的群落蛋白質組學進一步揭示了雜交基因型在時空分布上的差異及其在生物膜發(fā)育不同階段的優(yōu)勢，這表明重組是適應大尺度環(huán)境的重要過程或是一種獨特的生態(tài)策略。
此外，極端環(huán)境下微生物的種群宏基因組分析使得測量野生種群的進化速率成為可能，但對測量自然微生物組合中的單個物種來說仍具有挑戰(zhàn)。研究顯示，在缺氧海底沉積物中，要么AMD生物膜中天然鉤端螺旋體III組種群的核苷酸替換率異常高，要么群落中四個優(yōu)勢譜系種群的突變率極低。 極端環(huán)境為研究特定古菌譜系的起源和進化提供了極好的機會。奇古菌門在自然界普遍存在，在全球氮循環(huán)中發(fā)揮著關鍵作用。奇古菌門及其姐妹譜系曙古菌門之間有著難以捉摸的進化關系，最近通過比較基因組學從溫泉沉積物中檢索出新的曙古菌門基因組席得到了解決。發(fā)現(xiàn)這兩個門可能起源于熱環(huán)境，并共享大量的基因。后來奇古菌門入侵了廣泛的非熱環(huán)境，導致這兩個主要古菌群之間的功能分化。以飽和鹽水環(huán)境為主要生境的古菌通常包括鹽古菌和主要依賴氫的產(chǎn)甲烷菌。系統(tǒng)發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)育分析表明，鹽古菌的祖先可能來自產(chǎn)甲烷菌。
隨后的比較基因組學表明，這種生理上的劇烈轉變（從厭氧化能自養(yǎng)生物到需氧異養(yǎng)生物）是通過（通過HGT）從細菌獲得大量基因而實現(xiàn)的。最近對一種新型的極端嗜鹽產(chǎn)甲烷菌群'Candidatus Methanonatronarchaeia’（SA1-古菌）的富集和基因組特征進行了研究，其基底分支為鹽古菌，并居住在高鹽湖中，為鹽古菌的早期進化提供了進一步的認識。值得注意的是，對高鹽環(huán)境的適應能力可能在鹽古菌和'Ca. Methanonatronarchaeia’分化之前就已經(jīng)發(fā)展。進化基因組學研究表明，盡管兩種菌系都采用“鹽入”策略，但'Ca. Methanonatronarchaeia’主要通過基因丟失進化，而鹽生古菌則通過基因獲得進行基因組進化。 最近從CPR細菌和DPANN古菌重組基因組提出了一個問題，即這些主要新譜系的明顯分組是快速進化的產(chǎn)物還是早期分歧的反映。到目前為止，已經(jīng)預測CPR和DPANN的代謝差異很大。盡管其中很多缺乏與其小細胞和基因組大小一致的許多生物合成能力，如Altiarchaeota，具有足以支持自由生活方式的代謝潛力。
因此，基因丟失和基因組減少，細菌轉變?yōu)樗拗飨嚓P生活方式的特征，可能是推動某些CPR和DPANN譜系快速進化的重要能力，導致它們在系統(tǒng)發(fā)育樹中新譜系的出現(xiàn)。DPANN古菌也顯示了可能導致進化速率提高的其他特征：納古菌門（Nanoarchaeota）、Pacearchaeota和Woesearchaeota中多樣性產(chǎn)生因素的普遍存在以及ARMAN編碼的CRISPR-Cas9系統(tǒng)。同時，也有證據(jù)表明CPR和DPANN起源于可能是小基因組生物很早期的進化。例如，CPR和DPANN生物似乎完全是厭氧菌，這與早期地球上的可能代謝一致。此外，II/III樣和III樣核酮糖1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）廣泛分布于一些CPR和DPANN生物體內，它們參與古老異養(yǎng)的核苷酸基礎途徑。在廣泛不同的群體中存在著特定的基因可能意味著許多現(xiàn)代群體喪失了祖先有機體的特征。 自然群落的不同類群可能受到不同的選擇壓力，并采取不同的進化策略。因此，少數(shù)特定類群的研究結果可能不能直接推廣到整個環(huán)境。為此，已有幾項研究試圖從群落的角度研究進化過程，并提供補充見解。
例如，對熱液活動區(qū)的碳酸鹽煙囪生物膜宏基因組的分析顯示，轉座酶基因的豐度和多樣性非常高，表明在物種豐富度低的群落中，出現(xiàn)大量的水平基因轉移。這種頻繁的基因交換可能產(chǎn)生多樣性的表型以及對極端多變的環(huán)境條件的適應。另一項研究使用基因組解析宏基因組學來解析群落中種群內部和種群之間的精細基因組變異的模式，表明在兩個地球化學性質不同的熱液噴口區(qū)域中，形成不同類群的微生物種群的進化過程是不同的。
結語
幾十年的多樣性調查已經(jīng)全面揭示了生存在地球主要極端環(huán)境中的微生物系統(tǒng)發(fā)育的廣度。最近對易獲取的生態(tài)系統(tǒng)（如溫泉和AMD）的廣泛采樣和高通量16S rRNA測序進一步對其大規(guī)模生態(tài)分布的模式及其可控性有了了解。有趣的是，定義一種特定類型的極端環(huán)境的主要參數(shù)（例如AMD的pH值和高鹽生境的鹽濃度）似乎是影響群落形成的主要因素。通常情況下，環(huán)境變得極端，微生物多樣性就會下降，僅少數(shù)類群占據(jù)優(yōu)勢。盡管最近的研究試圖預測這些多樣性模式（BOX3），但解決它們的本質及潛在的生態(tài)和進化過程是微生物生態(tài)學新出現(xiàn)的關鍵性挑戰(zhàn)。 在極端環(huán)境中加速重建和表征主要新群體的微生物基因組，大大改變了系統(tǒng)發(fā)育樹的結構，徹底改變了我們對古菌和細菌的理解。
值得注意的是，盡管地球上的大多數(shù)環(huán)境中都有古菌的存在，但古菌系統(tǒng)發(fā)育樹中的新譜系主要來自對各種極端環(huán)境基因組的探索（圖3）。這突出了這些生境是微生物“暗物質”的寶庫以及對理解微生物生態(tài)學和早期地球生命的模型系統(tǒng)具有重要意義。鑒于不同類型的極端環(huán)境之間的研究強度極不平衡，以及在較低的分類水平上發(fā)現(xiàn)新的類別和群體有著巨大的空間，繼續(xù)對這一未培養(yǎng)群體的多樣性和代謝能力進行基因組探索將是該領域的一個主要的主題。這些研究很重要，應該伴隨著有針對性的培養(yǎng)和功能驗證工作，因為有證據(jù)顯示，這些未開發(fā)的譜系雖然相對豐度較低，但可能在群落中發(fā)揮著關鍵的作用，或能夠在特定環(huán)境條件下獲得生態(tài)優(yōu)勢。
一般來說，微生物生態(tài)學發(fā)展的主要限制是天然微生物組合中的真核生物和病毒。真核生物和病毒執(zhí)行許多關鍵的生態(tài)系統(tǒng)功能并在塑造原核生物種群動態(tài)中起關鍵作用，但這些微生物特別難以培養(yǎng)并且難以通過基因組方法研究。極端環(huán)境的性質和獨特性可能為這些鮮為人知的群落成員的生態(tài)和進化分析提供了巨大的機會。病毒在許多極端環(huán)境下的微生物食物網(wǎng)中發(fā)揮著特別重要的作用，而組學方法和技術的進步才剛剛開始揭開這些生境中病毒的神秘面紗。研究揭示了病毒多樣性高，病毒種群的季節(jié)性演替和地理分布發(fā)現(xiàn)了以前未被認識到生態(tài)作用的新的病毒（例如，南極水生系統(tǒng)中的病毒噬菌體和來自溫泉、高鹽和地下環(huán)境的巨大噬菌體分支），并闡明了病毒如何與特定宿主相互作用并推動群落動態(tài)。同時，極端環(huán)境中真核生物的組學分析相對較少。
值得注意的是，宏基因組學已經(jīng)能夠從里士滿礦區(qū)真菌主導的AMD絲狀生物膜中接近完整地重組絲狀真菌的基因組，從而能夠評估（使用轉錄組學和蛋白質組學）其在不同環(huán)境中的代謝分化。另一項宏組學分析顯示印度洋亞特蘭提斯岸輝長巖地塊深部巖化地殼中低多樣性但可分析的真菌群落。原則上，這些新的成果以及未來對微生物群落的病毒和真核生物探索的努力，將有助于解決極端環(huán)境中所有營養(yǎng)層次的復雜相互作用，這些相互作用最終塑造了整個群落的結構和動態(tài)。這樣的組學數(shù)據(jù)可以被納入預測模型，用于預測自然環(huán)境中的群落組成和功能。
當我們努力豐富我們對極端環(huán)境中的微生物過程和相互作用的認知時，一個基本的問題是，在這些矚目的模型系統(tǒng)（BOX2）中推斷出的生態(tài)原則是否可以預測其他受限制較少的生態(tài)系統(tǒng)的模式。這是很重要的，因為使這些模型復雜性降低的許多特性使它們與大多數(shù)其他環(huán)境相區(qū)分。然而，沒有一個模型系統(tǒng)可以捕捉其他系統(tǒng)的所有特征，最近的研究已經(jīng)證明簡化的模型微生物群是操縱復雜性和推進我們對復雜自然群落的認識的有效工具。更重要的是，如確定性的群落組合、微生物生物地理模式的特定生態(tài)驅動（例如，溫度、pH和鹽度）和塑造群體基因組變異的進化過程，已經(jīng)在其他曾經(jīng)未明確的系統(tǒng)中得到類似證明。因此，對極端環(huán)境下微生物生態(tài)學和進化的綜合研究，將進一步加深我們對更復雜的自然微生物群落和全球生態(tài)系統(tǒng)的理解。
Box 3. 模擬極端環(huán)境中的微生物群。
在時空尺度上定量預測微生物群落組成和功能屬性，可以彌補未知和未來群落狀態(tài)的缺口，從而更全面地了解微生物與生物和非生物環(huán)境之間的相互作用。開發(fā)和實施預測的主要障礙與用于構建模型材料的有限性（即觀測數(shù)據(jù)）和潛在因素的復雜性有關。另一個障礙是，很少有被廣泛接受的定量工具能用來作出準確的預測。盡管如此，近年來在高通量DNA測序和生物信息學工具方面的進展使我們能夠理解微生物群落和功能是如何在空間和時間中構建的，以及它們在環(huán)境變化中是如何變化的。相對較低的復雜性組合以及清晰的微生物分布模式和驅動因素有助于預測極端環(huán)境下的群落動態(tài)。例如，基于模型的方法最近被應用于預測特定的巖鹽相關古菌群的生物地理起源，以及地球化學多樣性的酸性礦井排水環(huán)境中微生物組合的分類和功能結構。進一步努力將有助于推動微生物組研究領域超越簡單的聯(lián)想和描述性分析。
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