甲烷是一种重要的温室气体，自工业革命开始以来，其在大气中的浓度增加了一倍以上，对气候变化产生了深远的影响。碳同位素证据表明，由自然生态系统内甲烷古菌产生的甲烷是大气甲烷浓度快速增加的主要原因之一。甲烷古菌是生源性甲烷的唯一来源，其产量约占全球甲烷排放的74%。根据能量产生系统的差异，所有甲烷古菌可以分为两大类：含有b型细胞色素电子传递链的甲烷古菌和不含有电子传递链的甲烷古菌，但含有b型细胞色素电子传递链的甲烷古菌具有更广泛的底物范围和更高的生长率。目前发现的所有具有b型细胞色素电子传递链的产甲烷古菌仅存在于广古菌超门（Euryarchaeota superphylum）的Halobacteriota门中，因此科学家普遍认为含有b型细胞色素电子传递链的产甲烷古菌起源于广古菌超门内部。
华东师大河口海岸学国家重点实验室碳氮循环与微生物生理生态研究团队联合校内地理科学学院以及澳大利亚昆士兰理工大学、加拿大哥伦比亚大学、德国地球科学研究中心（GFZ）、美国德克萨斯大学奥斯汀分校等单位，融合多学科研究技术，在我国红树林湿地与印度尼西亚火山湖中首次发现一类位于奇古菌门下含有电子传递链的甲烷古菌（Methylarchaeales，图1），且代谢重构分析发现Methylarchaeales微生物拥有利用与膜结合的电子传递链将甲基化合物还原为甲烷的代谢潜力（图2）。同时，研究团队基于标志基因追踪了全球300多个宏基因组数据，发现Methylarchaeales微生物在全球缺氧沉积环境中广泛分布，暗示了Methylarchaeales微生物对甲烷产生贡献的全球重要性。
图1. 新发现的Methylarchaeales目在古菌中的进化地位（a 串联122个古菌标志蛋白进化树；b 甲烷代谢关键基因分布）
图2. 重构的Methylarchaeales古菌关键代谢途径
基于系统发育和分子演化模型，研究团队分析了目前所有甲烷代谢菌甲基辅酶M还原酶和古菌的b型细胞色素进化历史，发现具有b型细胞色素电子传递链的甲烷古菌可能在Thermoproteota门或者Halobacteriota门的共同祖先中已经出现，大约发生在35-40亿前的太古宙早期。太古宙时期的海洋是厌氧的，包含着丰富的来自火山喷发产生的二价铁离子，为甲烷古菌合成亚铁血红素（细胞色素的辅基）提供充足的基质养分，同时火山喷发产生的二氧化碳、氢气和有机物也为甲烷古菌的生长提供了充足的碳源和能源。本研究扩大了生源性甲烷产生菌中的种类，对于辨析大气甲烷的源以及评估全球甲烷通量有着重要的科学意义，也为认识地球生命进化和地球环境演化提供了宝贵的基因组证据资料。
相关工作于7月9日以 Expanding the phylogenetic distribution of cytochrome b-containing methanogenic archaea sheds light on the evolution of methanogenesis 为题在线发表在 Nature 旗下学术刊物 The ISME Journal (2022, https://www.nature.com/articles/s41396-022-01281-0)。华东师大河口海岸学国家重点实验室为该研究成果第一单位，博士生欧亚飞为第一作者，董宏坡研究员和侯立军研究员为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金和科技部重点研发计划项目的资助。
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论文链接：https://www.nature.com/articles/s41396-022-01281-0
图文｜河口海岸科学研究院 来源｜科技处 编辑｜于洋 编审｜郭文君 吕安琪
