厭氧消化是一種重要的工程生物技術，對有機廢物的資源回收和可再生能源的生產起著關鍵作用。然而，由于對未培養的厭氧菌及其適應環境變化的能力了解有限，這限制了該技術的優化和生物氣生產的可持續性。今天小編帶大家看一篇發表在《Microbiome》上的文章，研究通過結合三代宏基因組和宏轉錄組，揭示了厭氧消化過程中碳礦化流的質量控制機制，并發現了一些關鍵活性厭氧菌群落及其代謝功能。
研究背景
厭氧消化涉及多個微生物群體，它們共同將有機物轉化為甲烷和二氧化碳，對自然生態系統和工程生物反應器中的厭氧碳通量起著至關重要的作用。近年來，長讀長測序能夠在多樣化的環境中獲得完整的宏基因組組裝基因組（MAGs）。基于高質量的MAGs，結合宏轉錄組數據可以進行代謝模型的重建。
實驗設計
主要結果
?1、二三代混合組裝可提高宏基因組組裝基因組的質量
混合組裝顯著提高了組裝質量，獲得了132個高質量基因組，遠多于只用NGS的3個高質量基因組。總的來說，混合組裝在提高MAGs基因組質量方面發揮著關鍵作用，這將大大有助于捕獲NGS數據組裝中遺漏的遺傳信息，從而促進對完整代謝過程的探索。
圖1 長讀長測序提高了宏基因組的組裝，并恢復了產甲烷群落中隱藏的遺傳信息
?2、高質量的MAGs代表了大部分產甲烷群落
對獲得的MAGs質量進行評估發現完整度≥90%的MAGs有197個，其中132個為高質量基因組，20個基因組接近完整。系統發育分析揭示了基因組的廣泛分類多樣性，包括四個古菌（15個MAGs）和23個細菌門。研究發現，有87個(44.16%)與GTDB中的任何參考物種基因組都不匹配，這意味著它們屬于物種水平或更高分類群的未知種群。
圖2 基因組系統發育樹顯示了細菌譜系的多樣性，豐度和基因組質量
?3、氧菌群落的宏轉錄組學和代謝重建
約80%的宏轉錄組reads比對到組裝的MAGs，說明它們對厭氧菌群落中的活躍種群具有較好的代表性。在不同有機負荷條件下，觀察到細菌和古菌類群之間的轉錄表達動態變化，表明基因表達動態模式與有機負荷濃度的關系。然后研究進行了代謝重建，連接了每個厭氧譜系與其碳代謝能力，揭示了整個厭氧微生物群落的多樣化代謝潛能。
圖3 代謝途徑和功能系統的分布
?4、厭氧微生物群的碳水化合物代謝
厭氧微生物群表達了一組廣泛的碳水化合物降解酶。在分類學上，擬桿菌門的成員占主導地位，轉錄組分析顯示，擬桿菌門中CAZymes最活躍的種群為三個未培養的家族譜系。基于轉錄組學的代謝重建揭示了它們對雙糖(乳糖和蔗糖)、單糖(木糖)和中心碳代謝的利用相似性。然而，基因組內的主要通路活性表明了這些群體之間的功能特異性差異。具有相似代謝的細菌表現出對底物的偏好。此外，這些活躍的類群利用不同的糖轉運來創造特定的功能生態位。
圖4 跨有機負荷梯度從（多）單體到 CH4和 CO2的碳通量
?5、微生物群的蛋白質水解和氨基酸降解
研究表明蛋白質及水解氨基酸(AAs)是厭氧食物網中的主要有機碳源之一。與此一致的是，研究觀察到微生物群落成員轉錄表達廣泛的肽酶，這些肽酶參與肽鍵的分解，其中一些預測是在細胞外。研究揭示了在AA降解方面的2個新物種bin.479和bin.61，并提示最近研究報道的VadinHA17家族的代謝多樣性和多樣性仍有待研究，特別是在蛋白水解活性和AA清除功能方面。
?6、降解長鏈脂肪酸的新型細菌
隨著有機負荷的增加，在LCFA通路中觀察到的轉錄水平的顯著增加(圖4)，表明在這個厭氧微生物群中存在潛在的LCFA降解者。研究一共鑒定了64個MAGs作為潛在的LCFA降解者，包括Desulfobacterota, Pseudomonadota (以前稱Proteobacteria), and Bacillota (以前稱Firmicutes)的成員。其中的3個被確定為關鍵的活性LCFA降解者，攜帶和/或轉錄表達編碼蛋白質FadL的基因，將脂肪酸轉運到細菌細胞質中。
圖5 新型互養的脂肪酸氧化菌的代謝重建及其與產甲烷菌的相互作用
?7、厭氧微生物群的短鏈脂肪酸合養降解
相對于基質中的高濃度 SCFAs，污水中 SCFAs 的不積累意味著合成 SCFA 氧化對基質轉化的重要貢獻。盡管底物中含有大量的乙酸鹽，而且在LCFA分解過程中會產生乙酸鹽，但該反應器中的乙酸鹽轉化主要是由醋酸產甲烷菌驅動的。進一步的基因組特征和關鍵基因轉錄活性的比較分析揭示了這些合成丙酸氧化細菌（SPOB） 在 MMC 通路中能量依賴性過程中的獨特機制和特定酶。
?8、產甲烷作用中的古菌競賽
古菌甲烷代謝作為厭氧代謝網絡的末端步驟，在厭氧碳轉化和自然甲烷通量中起著至關重要的作用。產甲烷代謝通路重建結果顯示，6個古細菌MAGs編碼的氫營養和醋酸產甲烷基因，涵蓋了3個產甲烷途徑的所有基因。特定的遺傳模式和環境決定因素促進了厭氧群落的生態位專業化和生態優勢，增強了對細菌和古菌譜系環境適應的理解。
圖6 古菌群落和MAG中產甲烷途徑的轉錄表達和重建
研究意義
本研究通過結合長讀長測序和宏轉錄組指導的代謝重建，揭示了厭氧消化過程中關鍵功能細菌的代謝機制，為理解碳轉化提供了基礎數據，并為優化厭氧廢物處理策略和解決氣候變化問題提供了見解。研究還強調了宏轉錄組學在識別未培養物種生態功能和原位代謝活動中的重要性。
參考文獻
Yan, W., Wang, D., Wang, Y. et al. Metatranscriptomics-guided genome-scale metabolic reconstruction reveals the carbon flux and trophic interaction in methanogenic communities. Microbiome 12, 121 (2024).
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