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浙江大学徐建明团队Nature Communications：土壤微生物“暗物质”丰富的物种及基因资源多样性

时间：2023-12-05 来源：浏览：

浙江大学徐建明团队Nature Communications：土壤微生物“暗物质”丰富的物种及基因资源多样性

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在科学的边际，存在一个神秘莫测且广袤无垠的领域——土壤。这个界域中的生命体，虽然微小，却如同宇宙暗物质一样，支撑着地球生命系统的多样性和平衡。这些被统称为“微生物暗物质”的生物，虽然难以直接观测，它们的存在和作用却对维持生态系统健康至关重要。尽管如此，这片领域仍然充满了未知。

近日，浙江大学徐建明教授团队通过分析全球土壤宏基因组大数据，首次揭开了全球尺度下土壤暗物质的“面纱”。其研究团队采用宏基因组学技术，揭示了全球土壤微生物暗物质的丰富的微生物多样性以及基因资源的多样性。此项研究成果为我们解析土壤中微生物群落提供了全新的视角，为未来的遗传资源挖掘与利用奠定了坚实的基础。

这项研究近日发表在 Nature Communications ，浙江大学环境与资源学院马斌研究员，浙江大学环境与资源学院博士生卢彩玉、王轶玲为该论文的共同第一作者，徐建明教授为通讯作者，浙江大学为第一和通讯作者单位，张佳宝院士、朱永官院士等参与了此项研究工作。

土壤微生物，隐藏无尽多样性

从全球土壤宏基因组中重构了超过 40,000 个宏基因组组装基因组，大幅扩展了对土壤微生物多样性的了解

通过重建 3,304 个土壤宏基因组中的 40,039 个宏基因组组装基因组箱（ SMAG 目录）（图 1 ），进行了首次大规模土壤微生物暗物质挖掘，扩展了整个微生物生命树上的古菌和细菌多样性。其中有超过 16,000 个物种是以往未被识别的，这大大拓展了我们对于土壤微生物暗物质的了解。

图1：从全球分布的土壤宏基因组中重构基因组

土壤暗物质，蕴含丰富基因资源

土壤微生物：潜在的次生代谢宝库

除此之外，土壤实际上是一个充满活力的生态宝库，藏匿着大量的生物化学奥秘。其中，次生代谢物生物合成基因簇（简称 BGCs ）是土壤中的一种特殊资源，它们由一组相邻的、协同工作的基因组成，可以合成出多种有用的化合物，例如抗生素和药物。

结果展示，通过宏基因组学的方法来探索土壤微生物的遗传资源，进而从土壤中发现和开发新型的药物。这些微生物合成的新型抗生素和药物对于抗击耐药性细菌具有重要价值，也为未来的医药研发提供了新的方向。

图2：从SMAG目录中恢复的生物合成基因簇

揭秘土壤中的 CRISPR-Cas 宝库

在大自然的土壤之中，隐藏着一个巨大的科学宝藏，即 CRISPR-Cas 蛋白资源。 CRISPR-Cas 系统是一种由细菌和古细菌发展形成的天然防御机制，它们利用这一系统剪切并破坏侵入的病毒 DNA ，从而保护自己免受感染。这种自然界中的“分子剪刀”在近年来已经被转化为一种强大的基因编辑工具，为科学界带来了革命性的变革。

通过深入分析 563 个宏基因组组装基因组（ MAGs ），发现了多达 8,545 个与 Cas 蛋白相关的基因。这一发现如同发掘出了基因编辑领域的新大陆。

可以看到，土壤中的潜在 CRISPR-Cas 系统，代表了一个巨大的、尚未充分认识的自然遗产。随着对土壤中这些天然遗传资源的进一步挖掘，未来的基因编辑技术将变得更加强大。

图3：从SMAG目录中预测出的top 10不同的Cas蛋白质数量。大多数（6,934个）预测的Cas基因是uncertain

土壤噬菌体：潜藏土壤微生物与新疗法的未来

在土壤生态系统中，由于其极端的微生物多样性，存在着大量未被发现的噬菌体与宿主细菌之间的相互作用。通过研究这些关系，科学家们可以发现新的噬菌体种类，这些噬菌体可能针对那些已知药物无法治疗的抗药性细菌具有特异性。

此项研究预测并鉴定了 21,510 对病毒 - 宿主关系，并提供了对这些相互作用的全新见解。因此，从土壤微生物中发掘新型噬菌体以及新型病毒宿主关系，不仅是基础科学研究的突破，也开启了噬菌体疗法作为未来治疗传染病的新途径。

图4：SMAG解析了病毒-宿主关系。病毒的宿主系统发育范围。GSV_66726、GSV_527、GSV_39462是来自数据全球土壤病毒组（GSV）的以前未被识别的病毒

通过建立土壤基因组（ MAGs ）目录，来揭示土壤暗物质的物种和基因资源多样性，对于我们充分利用土壤微生物基因资源开发新型抗生素和新型药物、助力基因编辑工具和噬菌体疗法开发具有重要意义。同时拥有一个高质量的基因组目录，可以大幅提高基因组为基础的宏基因组研究的分辨率和准确性，以满足广大科研工作者的需求。 SMAG 目录中的 MAGs 是构建基因组规模代谢模型（ GEMs ）的资源，这将是设计和开发功能微生物的关键资源。 SMAG 对于未来基于基因组中心挖掘的研究以及为进一步的机理验证确定优先目标都是有价值的。

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