比较宏基因组学（Comparative Metagenomics）是目前非常流行的一个概念，也是目前使用最多的研究方式，简单的说就是通过不同样本之间的比较来回答最初的“科学问题”。这种方法很直观的就是至少要有不同的样本，主要的研究目的是分析不同环境、不同处理、不同时间节点、不同来源、不同性状等等总之就是不同的样本中微生物群落结构和功能的差异，以及这些差异与样品其它数据之间的关系。
2022年8月，正式发表于《mSystems》（IF=7.324）的“Comparative Metagenomics Highlight a Widespread Pathway Involved in Catabolism of Phosphonates in Marine and Terrestrial Serpentinizing Ecosystems”研究论文，通过比较宏基因组学研究了不同蛇纹岩型系统微生物群落组成和功能代谢差异，为海洋和陆地蛇纹岩环境中还原磷化合物的代谢研究开辟了一条新的途径。蛇纹岩型热液系统是源自地幔的超镁岩石（即橄榄岩）水合的产物。蛇纹化热液系统是水循环进入地下并与地幔衍生岩石相互作用的结果，尤其是在大洋中脊或大陆蛇绿岩附近。蛇纹石化和相关反应产生富含分子氢、甲烷和小有机分子的碱性液体。磷酸盐的代谢在碱性蛇纹石化系统中广泛存在，并可能在磷和甲烷生物地球化学循环中发挥关键作用。然而，在碱性蛇纹岩系统中，磷的微生物利用机制尚未探明。通过蛇纹岩系统、玄武岩喷口和温泉的比较宏基因组学，探讨了蛇纹岩化与相关微生物群落之间的关系，确定核心微生物群落和常见功能或代谢途径。具体实验设计如下：研究获得了10个经过充分研究的地点（包括PBHF、LCHF、CROMO、Santa Elena、Voltri、CVA、Tattapani和黄石温泉、Juan de Fuca Ridge和皮卡热液区）的宏基因数据。每个样本的栖息地类型、深度、温度和pH值见表1，所有选定的蛇纹岩系统都会释放高碱性液体，pH值在9到12.3之间，但CROMO-QV1.2除外。从头组装产生10084和401248个contigs，根据COG和KEGG数据库，对已知功能注释率达到55%和38%。总体微生物多样性主要和22个门（图1）相关。在大多数样品中，变形菌门和厚壁菌门构成了大部分微生物组成。PBHF的两个位点具有不同于LCHF或其他深海热液系统的分类学特征，PBHF中优势厚壁菌门和变形菌门的相对平衡分布更类似于陆地蛇纹化系统（如CVA）。通过宏基因组属水平聚类分析揭示了根据微生物群栖息地聚类趋势（图2）。第一个cluster聚集了四个温泉，主要是超嗜热菌属。第二个cluster包括深海热液场的五个样本，在该集群中发现的丰度较高的属包括Gammaprotobacteria或Epsilonprotobacceria。最后一个cluster包含由淡水供给的所有蛇纹岩系统，即大陆蛇纹岩系和沿海PBHF。在这一组中，梭菌属和β-杆菌属的丰度最高。因此，该分析将LCHF基因组与所有其他蛇形系统的基因组区分开来（图2）。通过在宏基因组中搜索编码代谢途径关键酶的基因，研究了微生物群落的代谢潜力，这些代谢途径涉及蛇纹石化主要产物（氢气和甲烷）或替代能源（硫或氮化合物）或碳的利用（图3）。利用编码[NiFe]-和[FeFe]-氢化酶的基因研究H2代谢，[NiFe]-氢化酶编码基因（hoxY）在所有蛇形生态系统中比其他样本更普遍存在。在富含甲烷的蛇纹石化系统中，检测到与pmoA或mxaF或mdh1有关的基因。nirK和norB基因被认为是脱氮标记，在10个大陆蛇纹化位点中仅检测到4个，但存在于深海喷口（包括LCHF）。在大多数宏基因组中检测到与异种硫酸盐还原相关的基因，如dsrA、aprA和sat。一种涉及氟细胞色素c-硫脱氢酶编码基因主要存在于深海热液系统，包括LCHF。已知的原核自养碳固定途径的大多数关键基因在样本中找到（图3），但是自养碳固定途径的其他标记基因在LCHF和PBHF中存在差异。图3 来自水热系统的21个宏基因组中的潜在微生物代谢
除hoxY外，蛇纹岩化和其他环境中靶向代谢基因的丰度没有显著差异，LCHF和玄武岩热液之间的存在功能相似性，富含编码转运蛋白（如糖、磷酸盐）和离子通道的基因，以及与应对环境选择压力的基因，包括comFC，dppA基因等。选择蛇纹岩和其他热液系统之间丰度不同的注释基因，通过随机森林方法，这些基因的结果将蛇纹石化位点与其他热液环境分开（图4）。蛇纹化系统的宏基因组富含hoxH和hoxY，它们编码[NiFe]-氢化酶亚基。然而，最显著的特征之一是编码磷酸分解代谢酶的phn操纵子的七个基因的过度表达。在随机森林中验证了phn基因过度表达。图4 热图显示了前50个KEGG将21个功能区分为两类生态系统
七个已鉴定的基因属于编码C-P裂解酶的操纵子，参与了各种膦酸盐的分解，这些基因构成了C-P键断裂所必需的最小催化核心单元。C-P裂解酶的七个基因（phnGHIJKLM）几乎完全存在于蛇纹岩生态系统中（图5)。在所研究的蛇纹石化位点中，估计5%至52%的微生物基因组可能含有C-P裂解酶必需基因，phn基因的分类注释将其分布在几个微生物门中（图5），在LCHF和PBHF中主要与变形菌门和厚壁菌门相结合。在大陆蛇纹化生态系统中，大多数phn基因与β-杆菌属相关联。在PBHF的宏基因组中发现的一个非典型操纵子，在phnE和phnG基因之间插入了ptxD基因（编码亚磷酸降解），这种新的基因组结构可以降解磷酸盐或亚磷酸盐。图5 21个宏基因组中编码C-P裂解酶催化成分的基因丰度本研究通过比较宏基因组学揭示了蛇纹岩生态系统在应对环境压力、丰富的氢气代谢和磷代谢方面的能力，对控制生态系统中微生物活动的因素提供了更深入的见解。此外还表明了磷酸盐的代谢在碱性蛇纹石化系统中广泛存在，并可能在磷和甲烷生物地球化学循环中发挥关键作用。本研究为蛇纹岩环境中还原磷化合物的代谢研究开辟了一条新的途径。参考文献
Comparative Metagenomics Highlight a Widespread Pathway Involved in Catabolism of Phosphonates in Marine and Terrestrial Serpentinizing Ecosystems. mSystems, 2022.
