細菌與古細菌的最大可能“進化樹”（族譜）示意圖。圖片來源：Christian Rinke et al. 2013
微生物是這個星球上最豐富多樣的細胞生物。但大部分微生物都難以培養(yǎng)，關(guān)于它們的基因組數(shù)據(jù)很少。人們把進化樹上未標注出的微生物形象地稱為“微生物暗物質(zhì)”。日前，美國科學家利用單細胞基因組學技術(shù)，對從未在實驗室中被培養(yǎng)過的細菌與古細菌進行測序，獲得了201種細菌與古細菌的基因組草圖，大大拓寬了人類對“微生物暗物質(zhì)”的認識。研究結(jié)果發(fā)表在7月14日的《自然》。
“細菌和古細菌的采樣非常欠缺，很多關(guān)系仍不明朗，”文章的通訊作者、美國能源部聯(lián)合基因組研究所（DOE Joint Genome Institute）的微生物學家塔尼亞·沃克（Tanja Woyke）在接受果殼網(wǎng)采訪時表示：“我們開始系統(tǒng)地補充這些采樣欠缺的微生物分支的資料，并利用高通量的單細胞基因組學技術(shù)來解釋它們之間的關(guān)系?！?/p>
這些發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)發(fā)生學研究具有重要意義。“生命之樹上代表細菌和古細菌的分枝就好比人類的族譜。舉個例子，如果族譜上少了一些曾祖父母，家族的脈絡(luò)就會變得殘缺而模糊，要重構(gòu)家族的關(guān)系與進化歷程就變得相當艱巨?！彼醽喯蚬麣ぞW(wǎng)介紹道：“微生物在數(shù)十億年前就已經(jīng)出現(xiàn)。從熱液噴口、鹽灘到熱泉，它們占據(jù)著廣闊多樣的生態(tài)系統(tǒng)。了解它們?nèi)绾卧谌绱硕鄻?、甚至極端的生境中適應、進化是很重要的。”
研究對來自9種不同生境的微生物樣品進行了分析（圖I），鑒別出的“微生物暗物質(zhì)”分別屬于29個此前未知的微生物分支。利用這些基因組信息，研究者得以厘清許多微生物在門內(nèi)與門間的關(guān)系，并提出了兩個新的超門（Superphyla）。
此前，獲取新微生物基因組數(shù)據(jù)的主要方法是宏基因組技術(shù)。這種技術(shù)通過直接提取環(huán)境樣品中所有微生物的總DNA，研究該環(huán)境下的微生物多樣性。這項研究中，研究者將高通量單細胞流式分選技術(shù)、全基因組擴增技術(shù)及SSU rRNA單擴增基因組篩選技術(shù)結(jié)合，構(gòu)成SAG分析平臺（圖II）。參考研究獲得的基因組信息，研究員對高達3.4億個分類不夠精細或分類錯誤的宏基因組序列信息進行了修正和調(diào)整，從而使生命之樹的分支脈絡(luò)變得更加清晰準確。
圖II：單細胞測序流程：環(huán)境樣品經(jīng)過流式細胞分選后裂解并進行基因組擴增，利用SSU rRNA基因作分類學鑒定，挑選出的新世系進行基因組測序組裝，最終得到201份基因組草圖。圖片來源：Christian Rinke et al. 2013
卡爾·烏斯（Carl Woese）于1977年提出三域系統(tǒng)，將生物分為細菌域、古菌域和真核域。這三個域（domain）是生命之樹最初的三個分支。這次的研究發(fā)現(xiàn)，“不同域之間的邊界并不像以往認為的那樣嚴格分明?！彼醽喐嬖V果殼網(wǎng)。
研究從“微生物暗物質(zhì)”的基因組信息中發(fā)現(xiàn)了一些新的代謝特征：有2種細菌能夠利用真菌的通路合成嘌呤；3種古細菌則能夠編碼完整的σ因子，這種蛋白是原核生物RNA聚合酶的一個亞基。此外，還有1種古細菌編碼的氧化還原酶可能來源于生活在土壤中的變形蟲（一種真核生物）。塔尼亞表示，“這些結(jié)果大大地出乎我們的意料?！?/p>
目前，單細胞基因組學技術(shù)的主要缺點在于覆蓋率較低，即得到的測序信息并不能完全覆蓋整個基因組。但一些實驗室已致力于解決這一問題。塔尼亞對果殼網(wǎng)說：“我并不認為三年內(nèi)會有既劃算，精確度又高的宏基因組技術(shù)形成。在那樣的技術(shù)問世之前，我預計單細胞基因組學技術(shù)將蓬勃發(fā)展，并成為微生物生態(tài)學和人體微生物組研究的一種標準手段?！?/span>
