近日，南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）张偲院士团队联合广东工业大学、中国科学院南海海洋研究所、伍兹霍尔海洋研究所、北卡罗来纳大学教堂山分校等团队在Nature Communications上发表题为“Diversification in ANME-1 archaea is associated with the presence of highly variable genomic hotspots”的研究文章。研究刻画了深海冷泉甲烷厌氧氧化核心驱动者——ANME-1古菌在多变冷泉环境下菌株水平上的精细演化特征，并揭示基因组结构变异（SVs）和防御系统的进化是驱动古菌多样化和特殊生态位适应的关键。

深海冷泉是甲烷等碳氢化合物流体渗漏形成的海底化能合成生态系统。厌氧甲烷氧化古菌（ANME）通过与硫酸盐还原细菌协同作用，消耗海底超90%的甲烷排放，是阻止深海甲烷进入大气的关键生物屏障。其中，ANME-1类群广泛分布于低硫酸盐、强还原的厌氧环境，具有清晰的垂直生态位分区和多样的功能分化。然而，受深海高质量生物样品获取困难和传统短读长测序组装基因组碎片化的限制，其物种分化和多样性形成的驱动机制及极端环境适应性进化的分子机理尚不明确，制约了对深海微生物演化与碳循环过程的深入理解。

研究团队结合三代长读长宏基因组与高通量微生物单细胞技术，对南海海马冷泉4个沉积物层（海床以下0-30 cm深度）中的ANME古菌群落进行了高分辨率的多样性和演化研究。首次从南海海马冷泉沉积物中构建了目前质量最高的微生物基因组数据集，共获得了130个高质量环状基因组，其中包含24个ANME物种，提升了深海古菌参考基因组的完整度和多样性（图1）。

图1 ANME-1占主导的冷泉沉积物采样、测序和组装

为探究ANME-1古菌物种多样性形成的原因，研究团队检测到7,119个菌株间的基因组结构变异（以插入和缺失为主），这些变异集中于三大功能热点区：原核生物防御系统（如限制修饰酶和毒素-抗毒素hicAB操纵子）、ABC-2型转运蛋白及甲烷代谢核心蛋白。微多样性分析表明，优势ANME-1物种的连锁不平衡值显著下降，说明其并未经历演化瓶颈，反而通过基因重排加速生态位拓宽；同时，ABC-2转运蛋白和hicA毒素（pN/pS分别为2.74和1.95）等环境适应性相关基因相比于核心能量代谢基因受到更强烈、持续的正选择压力（图2）。ANME-1普遍携带高拷贝的hicAB操纵子，异源表达实验证实HicA蛋白具有抑制生长甚至致死的毒素功能，而HicB抗毒素可特异性中和其毒性。ANME-1古菌基因组中毒素-抗毒素系统的多拷贝与高遗传多样性，可能有助于稳定遗传通过水平基因转移获得的外源片段，以及在甲烷通量低时诱导细胞休眠，从而增强种群在深海冷泉动态变化环境中的适应与延续能力。

图2 ANME-1种群的微多样性分析

综上，本研究突破了传统短读长测序对深海微生物基因组解析的局限，首次在菌株分辨率下系统揭示了深海冷泉ANME-1古菌的物种分化与适应性进化机制。研究结果为理解深海微生物多样性形成与深海碳循环调控机制提供了全新视角。未来在国家重大科技基础设施（冷泉生态系统研究装置）、联合国“海洋十年”大科学计划（甲烷渗漏对全球气候的影响）和联合国“科学十年”大科学计划（海洋冷泉界面之谜）的支持下，研究团队将进一步聚焦全球尺度下不同冷泉、热液生境中功能微生物的基因组演化，解析深海生态系统演化规律，深入挖掘深海生物功能基因的工程化潜力，为深海生态保护、微生物资源利用、温室气体减排等领域提供技术支持和理论支撑。

广州海洋实验室张偲院士与广东工业大学智慧海洋与生态工程研究院院长冯景春教授为该论文的共同通讯作者；广州海洋实验室周颖力、陆瑞，中国科学院南海海洋研究所陈喆，以及伍兹霍尔海洋研究所Paraskevi Mara为该论文的共同第一作者。广州海洋实验室陶玄宇研究员、胡珺临、黄永吉，中国科学院南海海洋研究所王晓雪研究员、姚建云，广东工业大学刘锦怡，伍兹霍尔海洋研究所Virginia P. Edgcomb研究员，以及北卡罗来纳大学教堂山分校Andreas Teske教授为该论文的共同作者。本研究得到了国家自然科学基金委重大项目（42494884、42449303）、国家杰出青年科学基金项目（42325603）、重大科研仪器研制项目（42227803）和博士后创新人才支持计划（BX20230101）的支持。