原文链接：Genomic evolution of the class Acidithiobacillia: deep-branching Proteobacteria living in extreme acidic conditions | The ISME Journal (nature.com)

摘要

酸性硫杆菌属Acidithiobacillus的成员，现在被列为酸性硫杆菌纲Acidithiobacillia，是研究极端条件下化学石养能量转换的模型菌。对Acidithiobacillia的基因组和分类学多样性的了解仍然有限。在此，我们对该类细菌的近100个基因组进行了系统分析，这些基因组取自广泛的栖息地。其中一些基因组是新的，另一些则是在先进的基因组分析的基础上重新分类的，从而定义了19个在不同的分类水平上排列的Acidithiobacillia品系。这项工作提供了迄今为止对这一变形杆菌深分支纲的最全面的分类和泛基因组学分析。获得的系统发育框架不仅阐明了这一品系的进化历史，而且阐明了相关的有氧呼吸蛋白，即细胞色素bo3泛醌氧化酶，的分子进化。

图1 根据基于氨基酸和核苷酸序列身份配对比较的全基因组相关指数定义的酸性硫杆菌纲Acidithiobacillia的属和种级分类。

A 用CompareM计算的氨基酸相同值与16S rRNA基因序列配对相同值显示公认的属（AAI%>70%）和种（16S rRNA基因%>98.7%）截止值。

B AAI%值的直方图，按每个配对比较的分类学等级着色。

C 使用 ANIb 和 ANIm 对齐算法截止值的平均核苷酸身份（ANI）热图。

D 数字DNA-DNA杂交指数（dDDH）框图，显示分配到已知和新的基因组物种的菌株之间的分歧，与物种截止值有关，[红线：%dDDH>70%]。右边的首字母缩写随后在整个手稿中使用。

表1 构成酸性硫杆菌纲Acidithiobacillia的未发现的属和每个属的附属基因组物种。

未培养的类群表示为Candidatus（Ca.）；本研究中描述的新类群用单引号（'taxa'）表示。T型菌株，TS型由序列决定。

图2 使用共享基因的串联排列建立的酸性硫杆菌纲Acidithiobacillia共识系统树。

A MCC贝叶斯树是用MrBayes对16个RPs（包括2416个aa）进行串联得到的，这些RPs在分析的所有系和外群中都存在。图S1d显示了用所有16个酸性硫酸盐菌类的RPs得到的等效树。Alpha-和Zetaproteobacteria形成基干支系，与这些类别在Proteobacteria进化过程中的早期分支位置一致。

B 用PhyML软件包得到的ML树，使用了酸性硫杆菌类88个基因组共有的107个保守的单拷贝蛋白。七个菌株（BY-02、DMC、JYC、S10、DLC-5、GGI-221和21-59-9）的基因组由于装配质量问题而被排除在系统发育分析之外。该排列包括24,335 aa和10,269个解析信息点。

C, D中分别显示了使用NJ（10000次重复）构建的RpsC（S3）和RplD（L4）的单基因树。RPs和CPs是从表S1b所列的基因组装配版本中恢复的，详见表S5和S6。CPs是通过对基因组的出现率、每个基因组的拷贝数变化、基因的完整性和长度进行反复过滤而得到的。本图中排列的序列被缩小，以简化树的表示，而不改变综合排列的拓扑结构（图S1）。感兴趣的分支在树上突出显示，并作了相应的标记。后期节点支持率以分数表示。品系根据其分类学上的归属进行颜色编码，与手稿中的其他部分相同。

图3 酸性硫杆菌纲Acidithiobacillia的泛基因组的功能分析。

A 树状图再现了酸性硫酸盐菌的系统发育关系。终端节点，代表当前的物种水平线，以正方形描述，并标有物种名称的缩写，祖先节点以圆圈表示。核心基因组特征显示在右边，而泛基因组特征显示在左边。

B 从基因组与功能存在/不存在的评分矩阵构建的热图。颜色反映了每个基因组中每个基因的剂量（每个PF确定的正交物的数量）。数据在基因互补区间（核心、灵活和排他）之间分割，以帮助可视化。所列的菌株（每个物种）是表S1中的那些。

图4 酸性硫杆菌纲Acidithiobacillia物种的代谢特征。

A 相关能量代谢基因（和相关基因簇）的线系模式。颜色编码如图板中所标示。圆圈的大小代表每个基因簇中代表基因的剂量。确定的PF变体详见表S7c。

B 基于基因附近的一致性频率（边缘）的功能关联网络，包括每个蛋白质家族的变体（节点），详见表S7c。在选定的相关遗传背景下，从基因注释表中对所有基因组的每个基因对的一致性频率（%）进行评分。统计学上的一致性信息被用来给标签中的边缘着色，并被用来得出功能模块。额外的细节可以在补充资料（扩展图例）中找到。

图5 编码电子受体功能的蛋白质家族在酸性硫杆菌纲Acidithiobacillia中的出现、基因剂量和遗传背景。

A 末端氧化酶和相关附属蛋白的线系模式。

B 末端氧化酶在该纲代表性物种中的基因邻域。

C 血红素A合成酶CtaA与COX或bo3氧化酶的遗传关系的最大似然系统发育树。

D COX2亚基和其直系亲属CyoA的序列排列摘录，显示了铜结合基序及其在酸性硫杆菌纲Acidithiobacillia类群中的变化。COX2蛋白CEJ18213被用来作为参考，以确定铜结合基序的关键残基。

图6 酸性硫杆菌纲Acidithiobacillia中血红素铜氧化酶（HCO）的新的进化方案。

在已测序的酸性硫杆菌纲基因组中鉴定出两种变体A2型（COX）和三种变体A1型（CYO）氧化酶。左图，现存的A1-2、A1-1a/1b和A2型HCO-CoxB和CyoA亚基与CuA结合基序保守性有关的特征（六个残基CuA结合位点的保守残基的数量和CXXXC部分中保守半胱氨酸的数量）。A1-1a变体基因簇的不同寻常之处在于，它们将最深分支的CtaA血红素A合酶编码基因与编码晚分化CyoAB结构亚基的基因组合在一起（在同一基因簇中）。右图，根据酸性硫杆菌纲现存谱系中COX/CYO和CtaAB编码基因的系统模式，推断酸性硫杆菌纲HCO末端氧化酶的进化转变。为了简单起见，只描绘了具有代表性的物种特定模式。彩色圆圈通过缩写词和彩色方框来识别谱系