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揭秘真核生物起源：27.2億年前的生命密碼
地球生命的“祖先”何來？近年發(fā)現(xiàn)證明，真核生物可能起源于古菌中的“阿斯加德古菌”，這一發(fā)現(xiàn)支持了地球上生命存在形式主流假說——“二域?qū)W說”，即：細(xì)菌、古菌-真核生物。但真核生物究竟起源于阿斯加德古菌的哪一支類群，一直存在爭議。
北京時間5月7日23時，華東師范大學(xué)河口海岸全國重點實驗室董宏坡研究員和侯立軍研究員團隊，聯(lián)合深圳大學(xué)研究團隊，在國際頂級期刊《自然》發(fā)表最新研究成果，將真核生物起源位置精確定位為阿斯加德古菌“海姆達爾綱”的姐妹類群，這一發(fā)現(xiàn)表明真核細(xì)胞的起源時間可能約在27.2億年前，早于地球大氧化事件，為理解真核細(xì)胞形成機制提供了重要線索。
解放日報·上觀新聞記者了解到，研究團隊以我國紅樹林濕地和河口鹽沼濕地為“天然實驗室”，歷時6年采集沉積物樣本，利用計算生物學(xué)研究技術(shù)，揭示真核生物祖先可能在海姆達爾綱（Heimdallarchaeia）古菌分化之前就已經(jīng)形成。
華東師范大學(xué)河口海岸全國重點實驗室2021級海洋生物學(xué)專業(yè)博士生張家偉（右）為論文唯一第一作者，指導(dǎo)教師董宏坡研究員（左）為論文第一通訊作者。
生命起源之爭：定位真核生物祖先在古菌內(nèi)部的分化節(jié)點
在古菌進化研究中，隨著阿斯加德古菌多樣性的增加，定位真核生物祖先在阿斯加德古菌門內(nèi)部的分化節(jié)點顯得尤為重要，因為這關(guān)乎真核生物細(xì)胞在地球上首次出現(xiàn)的時間，以及彼時古菌祖先的生活方式。
2023年《自然》發(fā)表了瑞典科學(xué)家的研究成果，將真核生物在系統(tǒng)發(fā)育樹上定位到阿斯加德古菌的海姆達爾綱的內(nèi)部，與霍德爾目（Hodarchaeales）互為姐妹群系，但該結(jié)果僅使用未受廣泛認(rèn)可的非核糖體標(biāo)志蛋白基因集，因而備受爭議。
為此，華東師范大學(xué)團隊通過整合新組裝的223個高質(zhì)量阿斯加德古菌基因組和NCBI數(shù)據(jù)庫現(xiàn)存的基因組，構(gòu)建了一個包含411個阿斯加德古菌基因組的數(shù)據(jù)集。針對最新的數(shù)據(jù)集，研究團隊重新選取多套標(biāo)志蛋白，結(jié)合系統(tǒng)基因組學(xué)方法，高置信度地將真核生物定位到阿斯加德古菌海姆達爾綱之外，與海姆達爾綱互為姐妹。
為使用串聯(lián)67個標(biāo)志蛋白構(gòu)建的最大似然樹，顯示真核生物（Eukarya）與海姆達爾綱互為姐妹群系。
探尋共同祖先：依賴氫氣的古菌宿主與產(chǎn)氫細(xì)菌的融合
團隊在闡明真核生物在阿斯加德古菌中確切位置之后，通過分子定年與祖先代謝重構(gòu)，推斷出阿斯加德古菌與真核生物的最后共同祖先（LAECA）約出現(xiàn)于27.2億年前。其早于大氧化事件，可能是一個使用氫氣作為電子供體的厭氧產(chǎn)乙酸古菌。
該祖先具有完整的古菌型伍德-隆達爾途徑（Wood-Ljungdahl），為其依賴氫氣進行化能自養(yǎng)生長提供了可能。此外，該祖先基因組中也編碼不完整的有氧呼吸鏈中的末端氧化酶，可能是通過水平基因轉(zhuǎn)移從兼性好氧的共生菌中獲取，并參與低氧條件下的解毒功能。更重要的是，LAECA包含多種對氧氣非常敏感的參與細(xì)胞關(guān)鍵代謝途徑的酶，因此它們最初可能是在太古宙缺氧的深海環(huán)境中進行厭氧生長。
結(jié)合多方面證據(jù)，該研究支持了真核生物的氫起源假說，即真核生物起源于一個依賴氫氣的古菌宿主與一個產(chǎn)氫細(xì)菌的融合。
關(guān)鍵阿斯加德古菌祖先的代謝功能重建。
六年磨一劍：在泥潭中尋找生命起源密碼并還原場景
古菌在普通環(huán)境中豐度低、分布不均勻，尋找新的古菌類群難度極大。研究團隊在我國紅樹林自然保護區(qū)以及河口鹽沼濕地，開展了大量宏基因組的測序工作，成功組裝出眾多新型古菌類群。這次研究工作是在積累了6年的阿斯加德古菌基因組上完成的。
科研團隊在我國紅樹林濕地采集沉積物
為獲取關(guān)鍵樣本，團隊曾深夜冒險進入紅樹林，在蚊蟲圍攻和泥濘中艱難采樣，張家偉回憶：“采樣時多次迷路，渾身是泥，但一想到這些看似普通的淤泥里可能藏著生命起源的密碼，一切都值了?！?/p>
董宏坡研究員于2018年底進入華東師范大學(xué)河口海岸全國重點實驗室，開展濱海濕地古菌生物多樣性及其環(huán)境適應(yīng)機制研究。董宏坡表示，由于進化樹的樹型需要最大似然法（ML）和貝葉斯推斷法相互驗證，而貝葉斯推斷法要耗費大量的計算資源，河口海岸全國重點實驗室的大型集群發(fā)揮了重要作用，為研究快速推進提供了強大的硬件支持。
董宏坡（右）研究員與張家偉（左）博士生之外，華東師范大學(xué)劉敏教授和深圳大學(xué)李猛教授團隊成員為論文的共同作者。華東師范大學(xué)河口海岸全國重點實驗室為論文第一完成單位。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目支持。
華東師大河口海岸全國重點實驗室作為國家海洋戰(zhàn)略科技力量的核心組成，聚焦“人地海復(fù)合系統(tǒng)演變規(guī)律”“生態(tài)保護與資源綜合利用”“數(shù)字孿生與智能決策”三大研究方向，為破解河口海岸領(lǐng)域重大復(fù)雜科技問題提供系統(tǒng)性解決方案。“認(rèn)識真核細(xì)胞的形成機制對理解生命演化規(guī)律、生物多樣性、疾病機制乃至地外生命探索均具有深遠影響?！毖芯繄F隊表示，下一步是期待從濱海濕地資源庫中尋找更多海姆達爾綱古菌基因組并富集純化出這類古菌，開展其生態(tài)功能、生理代謝特征等相關(guān)研究。
原標(biāo)題：《地球生命何來？或靠氫氣自養(yǎng)！中國《自然》發(fā)文：27.2億年前真核生物起源》
本文作者：解放日報 徐瑞哲
圖片來源：受訪高校
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