原文链接：Genomic adaptations enabling Acidithiobacillus distribution across wide-ranging hot spring temperatures and pHs | Microbiome | Full Text (biomedcentral.com)

摘要

背景介绍

陆地温泉环境跨越了一个广泛的物理化学范围。物理化学参数，如pH值和温度，是影响不同地热区微生物组成差异的关键因素。然而，对新西兰陶波火山区（TVZ）温泉池的分析表明，细菌属的一些成员，酸性硫杆菌Acidithiobacillus，在广泛的温泉pH值和温度范围内普遍存在。为了确定居住在这种多样化条件下Acidithiobacillus的基因组属性，我们组装了来自六个地热区的19个未培养的温泉Acidithiobacillus菌株的基因组，并将其与来自不同栖息地的37个公开的Acidithiobacillus基因组进行比较。

结果

对138个样品的16S rRNA基因扩增子的分析表明，酸性硫杆菌平均占温泉原核生物群落的11.4±16.8%，三种Acidithiobacillus扩增子序列变体（ASVs）（TVZ_G1，TVZ_G2，TVZ_G3）占Acidithiobacillus相对丰度的90%以上。在温度（17.5-92.9℃）和pH值（1.0-7.5）范围内的138个样品中，有126个样品出现。我们恢复了属于这三个ASVs的19个环境基因组，以及第四个相关组（TVZ_G4）。根据基因组的平均核苷酸相同性，这四个组（TVZ_G1-TVZ_G4）由不同的物种（ANI<96.5%）构成，其中三个是新的Acidithiobacillus物种（TVZ_G2-TVZ_G4），一个属于Acidithiobacillus caldus（TVZ_G1）。所有四个TVZ酸性硫杆菌组都是在温度高于该属以前已知极限的温泉中发现的（最多40 °C以上），这可能是由于其脯氨酸和GC含量明显高于其他Acidithiobacillus物种，而这是已知的增加热稳定性。结果还表明，与温泉相关的Acidithiobacillus经历了基因组的精简，可能是由于热适应。此外，我们的数据表明，Acidithiobacillus在不同的温泉pH值中的流行是由不同的策略支持的，其中TVZ_G2-TVZ_G4主要通过Na/H反输送器和质子流出ATP酶来调节pH值平衡，而TVZ_G1主要依靠氨基酸脱羧酶。

结论

这项研究提供了关于Acidithiobacillus物种在不同的温泉物理化学中的分布情况，并确定了可能使Acidithiobacillus物种在地热环境中广泛的温度和pH值中定殖的基因组特征和适应性。

图1 图中显示了在TVZ温泉区的微生物群落中观察到的Acidithiobacillus ASVs的比例。

a 原核生物群落的总相对丰度（%），是在TVZ六个地热区收集的所有样品的总和。

b Boxplots显示每个样品中Acidithiobacillus与其他原核生物的总相对丰度。请注意，有12个样品没有Acidithiobacillus（左侧方框图中显示为0%，右侧方框图中显示为100%）。

表1 研究的地热环境的地点、pH值和温度范围以及水的化学性质，包括收集的样品类型和研究的数据类型

WGS = 全基因组测序，16S = 16S rRNA基因扩增子测序

图2 散点图显示四个TVZ温泉Acidithiobacillus ASVs的相对丰度和流行率，与回收的a A. caldus TVZ_G1; b Acidithiobacillus sp. TVZ_G2; c Acidithiobacillus sp. TVZ_G3 和 d Acidithiobacillus TVZ_G4的基因组对应。气泡大小代表每个样品中每种ASV的相对丰度。气泡的数量代表每种酸性硫杆菌ASV的流行程度。

图3 图中显示了TVZAcidithiobacillus和其他Acidithiobacillus的物理化学范围。

图中给出了a温度（黑条表示由GrowthPred计算的最佳生长温度）和b pH值的范围。显示的亚气泉华的范围是来自相应的温泉水，掌状泉华就是从那里形成的。所有TVZ物种的温度和pH值范围都来自于它们被发现的温泉，而其他酸硫杆菌的温度和pH值范围则来自于生长实验的特征。

图4 一个最大似然性 串联的核心基因系统发育树，具有TVZ和其他Acidithiobacillus物种的100次自举。

粗体字表示每个种（TVZ_G2-4）或亚种（TVZ_G1）级别聚类的代表MAG。另一科的Thermithiobacillus tepidarius和另一纲的Acidiferrobacter thiooxydans被作为外群使用。

图5 TVZ和其他Acidithiobacillus物种的散点图。

a GC含量（%）和最佳生长温度（℃）之间的正相关（R = 0.75，p = 3.0 × 10-11）； 

b 预测的脯氨酸含量（%）和最佳生长温度（℃）之间的正相关（R = 0.92，p < 2.2 × 10-16）； 

c 同源蛋白和编码序列（CDS）百分比之间的正相关（R = 0.63，p = 1.7 × 10-7）。

d GC含量（%）和估计基因组大小（Mbp）之间的负相关（R = - 0.51，p = 7.0 × 10-5）； 

e 预测的脯氨酸含量（%）和估计基因组大小（Mbp）之间的负相关（R = - 0.81，p = 3.4 × 10-14）； 

f 最佳生长温度（℃）和估计基因组大小（Mbp）之间的负相关（R = - 0.86, p < 2.2 × 10-16）。

g 显示最小代时（小时）和估计基因组大小（Mbp）之间的正相关，参考A. caldus和Taiwanese Acidithiobacillus (UBA2486）为离群值（R = 0.36，p = 0.008）。

h 显示非编码RNA的数量与最佳生长温度（℃）之间的负相关（R = - 0.45, p = 0.00044）。

i 显示非编码RNA的百分比和估计的基因组大小（Mbp）之间的正相关（R = 0.24，p = 0.08）。

最佳生长温度由GrowthPred计算得出。在所有图中，与TVZ_G2最近的（共同聚类）未分类的Acidithiobacillus物种（黑色边框-圆圈）是Acidithiobacillus sp. UBA2486。皮尔逊相关系数和t分布表分别用于确定相关系数和显著性，如方法中所述

图6 热图显示TVZ和其他Acidithiobacillus 物种中与pH值平衡相关的蛋白质数量。

粗体字表示TVZ Acidithiobacillus 物种的代表性基因组。所分析的基因的登录号可以在表S7中找到