氮素生物地球化學(xué)循環(huán)主要由微生物驅動(dòng)，包括固氮、硝化、反硝化和氨化過(guò)程。其中硝化過(guò)程包括氨氮氧化和亞硝酸鹽氧化，氨氧化是一個(gè)重要的限速過(guò)程，主要由有氧氨氧化細菌、厭氧氨氧化細菌、有氧氨氧化古菌和完全氨氧化細菌四類(lèi)生物參與完成。 

　　氨氧化古菌屬于奇古菌門(mén)(Thaumarchaeota)，是自卡爾·烏斯于1977年定義古菌域以來(lái)首個(gè)被發(fā)現在非極端環(huán)境下生存的古菌類(lèi)群之一。氨氧化古菌可在有氧條件下將氨氮氧化為亞硝酸鹽以獲取能量并廣泛分布在水生和陸生環(huán)境中。前期研究工作搜集了公共數據庫中全球不同生境奇古菌基因組序列，基于系統發(fā)生學(xué)和分子定年分析揭示了氨氧化古菌的演化和古地球氧氣含量變化緊密相關(guān)(Ren  et al., 2019, 13:2150–2161, The ISME Journal)，且發(fā)現已有氨氧化古菌基因組多來(lái)源于海洋和陸地環(huán)境，而對淡水環(huán)境中氨氧化古菌的分布格局、基因組多樣性及演化歷史等問(wèn)題尚不清楚。 

　　本研究基于高原深水湖泊瀘沽湖沉積物宏基因組，構建了高質(zhì)量氨氧化古菌基因組，進(jìn)一步整合來(lái)自全球深水湖泊、河流和海洋等多類(lèi)型環(huán)境的102個(gè)基因組，發(fā)現淡水氨氧化古菌主要屬于Nitrosopumilaceae科，分布在Nitrosopumilus, Nitrosoarchaeum 和Nitrosotenuis三個(gè)屬水平類(lèi)群中（圖1）。其中淡水Nitrosopumilus僅存在于深水湖泊，而Nitrosoarchaeum分布在深水湖泊和河流中，Nitrosotenuis則主要在河流、河口和深水湖泊分布。研究發(fā)現，在深水湖泊中，Nitrosopumilus在上層水體中占優(yōu)勢，而Nitrosoarchaeum隨水深呈現豐度增加的趨勢（圖2），揭示了氨氧化古菌呈現垂向生境分化的現象。此外，在Nitrosopumilaceae科中的淡水氨氧化古菌，至少經(jīng)歷了一次淡水到海洋和兩次海洋到淡水的生境轉移進(jìn)化事件；這些生境轉移事件均伴隨著(zhù)不同古菌類(lèi)群中功能基因的獲得和丟失，比如淡水Nitrosopumilus中鞭毛合成和離子轉運相關(guān)基因的丟失、淡水Nitrosoarchaeum中尿素合成及機械敏感性離子通道等基因的獲得（圖3）。上述成果豐富了氨氧化古菌在淡水生態(tài)系統的生態(tài)分布特征和進(jìn)化機制研究，為進(jìn)一步開(kāi)展其介導的碳氮生物地球化學(xué)循環(huán)提供科學(xué)參考。 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在微生物生態(tài)領(lǐng)域知名期刊The ISME Journal，文章第一作者為任明磊助理研究員，通訊作者為王建軍研究員。項目得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院國際合作項目、科技部援助項目、中國科學(xué)院前沿重點(diǎn)項目等資助；也得到了北京大學(xué)趙進(jìn)東院士、中國科學(xué)院水生生物研究所李濤研究員、上海交通大學(xué)王風(fēng)平教授、維也納大學(xué)Michael Wagner教授和Craig Herbold 博士、香港中文大學(xué)張昊博士的指導和幫助。文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41396-022-01199-7 

圖1. 全球淡水氨氧化古菌地理分布

圖2. 瀘沽湖氨氧化古菌的分布 

圖3. 氨氧化古菌系統發(fā)生樹(shù)及其生境轉移相關(guān)的關(guān)鍵功能基因分布