最新《Nature》| 深海沉积物中的惊天发现：真核生物起源之谜迎来关键证据

2025年5月7日，华东师范大学董宏坡研究员和侯立军研究员团队共同通讯在Nature在线发表题为“Deep origin of eukaryotes outside Heimdallarchaeia within Asgardarchaeota”的研究论文，该研究报告了223个集合了宏基因组的Asgard古细菌的几乎完整的基因组，这些基因组以前没有被记录。该研究将真核生物起源位置精确定位为海姆达尔纲的姐妹类群，这一发现表明真核细胞的起源时间可能约在27.2亿年前，早于地球大氧气事件，这为理解真核细胞形成机制提供重要的线索。

题目：Deep origin of eukaryotes outside Heimdallarchaeia within Asgardarchaeota

第一单位：State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, Yangtze Delta Estuarine Wetland Ecosystem Observation and Research Station, Ministry of Education, East China Normal University, Shanghai, China.

通讯作者：Li-Jun Hou、Hong-Po Dong

发表期刊：Nature

发表时间：2025.05.07

技术策略：宏基因组学

摘要

对阿斯加德古菌形态学、生理学和基因组学的研究，为真核生物的进化史提供了重要见解。先前一项研究提出，真核生物可能嵌套于海姆达尔古菌（Heimdallarchaeia）内部，但其在阿斯加德古菌中的精确系统发育位置仍存在争议。这一争议使得对早期真核生物祖先代谢特征和演化时间框架的理解变得复杂。本研究通过构建223个此前未记录的、接近完整的阿斯加德古菌宏基因组组装基因组，鉴定了16个属级或更高分类单元的新谱系，显著扩展了阿斯加德古菌已知的系统发育多样性。通过对这一扩展基因组数据集（涵盖多个标记基因）进行复杂的系统发育基因组学分析，研究者推断真核生物在所有已取样的海姆达尔古菌分化之前就已演化形成，而非作为海姆达尔古菌内霍德古菌目（Hodarchaeales）的“姐妹”分支。这种真核生物定位的差异可能源于此前未被充分认识的诺德古菌目（Njordarchaeales）基因组的嵌合性质所导致，研究者发现其基因组由阿斯加德古菌和TACK古菌（阿斯加德的姐妹门）的序列共同组成。通过祖先重建和分子定年，研究者推断阿斯加德古菌与真核生物的最后共同祖先（LAECA）出现于大氧化事件之前，且很可能是一种依赖H2的厌氧乙酸菌。这些发现支持了真核生物起源的氢假说，即真核生物起源于一个消耗H2的古菌宿主与产氢的原线粒体的融合。

主要研究结果

1、阿斯加德古菌多样性的扩大

1研究者从中国沿海盐沼和红树林湿地采集了40份沉积物样本，并进行了宏基因组测序。通过从头组装和分箱（binning），重建了11,878个宏基因组组装基因组（metagenome-assembled genomes, MAGs）。其中，223个MAGs属于阿斯加德古菌。这些MAGs与395个公开的高质量基因组合并后，利用dRep工具以物种水平（ANI≥95%）筛选代表菌株，最终获得411个阿斯加德古菌基因组。其中包括两株已培养的阿斯加德古菌（Ca. P. syntrophicum 和 Ca. L. ossiferum)，其余均为从环境样本中重建的MAGs。

图1 宏基因组组装基因组的采样位置和质量

为解析这些支系的系统发育位置，研究者基于GTDB数据库的53个古菌特异性标记蛋白串联集（GTDB.ar53），对包含411个阿斯加德古菌、51个DPANN古菌（含Diapherotrites、Parvarchaeota、Aenigmarchaeota、Nanoarchaeota和Nanohaloarchaeota）、47个广古菌门（Euryarchaea）及70个TACK古菌（含Thaumarchaeota、Aigarchaeota、Crenarchaeota、Korarchaeota）代表菌株的多样化数据集，构建了最大似然树（ML树）。该树证实了阿斯加德古菌存在10个纲级谱系。基于相对进化距离，研究者在奥丁古菌纲（Odinarchaeia）和海姆达尔古菌纲（Heimdallarchaeia）中鉴定出两个新的目级谱系，暂命名为杨坚古菌目（Yangjianarchaeales）和文中古菌目（Wenzhongarchaeales）。此外，在西芙古菌纲（Sifarchaeia）、霍达古菌目（Hodarchaeales）、赫莫德古菌纲（Hermodarchaeia）及洛基古菌纲（Lokiarchaeia）内发现了4个新科级支系（由6个MAGs代表）和10个新属级支系（由18个MAGs代表）。在阿斯加德古菌的10个纲中，有6个纲共包含108个新物种级基因组。

图2 基于GTDB.ar53的53个标记蛋白的最大似然系统发育树

2、Njordarchaeales分类位置的重新审视

Eme等人报道，RP56系统发育树中Njordarchaeales与Korarchaeota的单系性可能源于RP56核糖体标记蛋白序列的高组成相似性，这与两类古菌的嗜热生活方式相关。基于这一假设，研究学者构建了一个排除核糖体蛋白的古菌源标记数据集（含57个蛋白，NM57），用于推断古菌系统发育。NM57标记选自Petitjean等人鉴定的200个古菌保守标记蛋白（NM200），其中多数为参与代谢与细胞过程的功能蛋白。研究者发现，即使排除核糖体蛋白，NM200数据集的最大似然树仍将Njordarchaeales定位为TACK超门内Korarchaeota的姐妹分支。这表明Njordarchaeales与Korarchaeota的聚类关系并非由核糖体蛋白驱动。两类数据集（NM57与NM200）拓扑结构的矛盾可能源于比对序列中氨基酸位点数量与性质的差异。相较于NM57，包含更多氨基酸位点的NM200树更可能反映Njordarchaeales与其他古菌的真实进化关系。

为研究Njordarchaeales基因组的分类特征及其可能的嵌合性质。研究者使用CAT和MMseqs2两种工具对Njordarchaeales基因组的contigs进行分类，发现这些基因组中约24-60%的contigs被分配到TACK古菌，而3-35%的contigs被分配到阿斯加德古菌。这表明Njordarchaeales基因组可能包含来自TACK和阿斯加德古菌的序列，显示出高度的嵌合性。此外，通过对来自同一采样地点的多个宏基因组的读段比对分析，研究者发现四个Njordarchaeales基因组的contigs在不同宏基因组中表现出不同的覆盖模式，进一步支持了这些基因组的嵌合性质。

图3 Njordarchaeales基因组中Contigs/Scaffolds的分类学特征与聚类分析

3、真核生物起源于海姆达尔古菌（Heimdallarchaeia）之外

基于不同标记蛋白集的系统发育分析结果，研究者使用了67个标记蛋白（S67）构建了包含461个古菌和14个真核生物的系统发育树，发现真核生物与海姆达尔古菌的亲缘关系最近。此外，研究者通过逐步剔除两个数据集（tES67和AsES67）中进化速率最快的位点，结果显示支持真核生物与海姆达尔古菌为姐妹群的证据更为强烈，而支持真核生物与霍德古菌目为姐妹群的证据则较弱。这些结果表明，真核生物可能在所有已采样的海姆达尔古菌多样化之前就已进化，而不是与霍德古菌目一起分支于海姆达尔古菌中。系统发育分析表明：真核生物可能在所有已取样的Heimdallarchaeia分化之前就已演化形成。该结果与Liu等人基于29个标记基因树的推断一致，但挑战了近期提出的Hodarchaeales-sister假说。相较于Liu等人的研究，研究者的结论更为稳健，因其基于扩展的阿斯加德基因组取样，并结合了外类群排除、快速进化位点剔除、复杂位点异质性进化模型及多标记集分析。这一发现为解析真核生物祖先的生物学特征提供了关键线索。

图4 基于S67标记蛋白集的最大似然系统发育树

4、LAECA（最后阿斯加德-真核共同祖先）的演化时间框架与特征

研究者使用MCMCTree估算了阿斯加德古菌门内关键节点的分歧时间。分子测定年分析中，设定了古菌根节点的年龄范围为42.9–38亿年前（Ga）。结果显示，阿斯加德古菌的最后共同祖先（LAsCA）出现于约33.8亿年前的太古代。海姆达尔古菌纲（Heimdallarchaeia）与洛基古菌纲（Lokiarchaeia）的共同祖先年龄约为31.6亿年前，属于中太古代。作为真核生物的姐妹群，冠群海姆达尔古菌的分化时间为31.2–22.6亿年前，早于大氧化事件³⁶。这一结果表明，真核生物的基干谱系在大氧化事件之前已开始演化，与Betts等人报道的真核生物基干谱系时间框架基本一致。近期一项基于ATP合酶进化历史的研究提出，真核生物于26.7–21.9亿年前从海姆达尔古菌纲内的Hodarchaeales分化而来，该时间范围与本研究估算的海姆达尔古菌-真核生物分化时间存在部分重叠。

图5 阿斯加德古菌的进化历史及其与重大地质事件的演化时序关联

研究者进一步重建了关键祖先类群的代谢特征。近期对两株已培养阿斯加德古菌——候选普罗米修斯古菌（Ca. P. syntrophicum）和候选洛基古菌（Ca. L. ossiferum）的研究表明，它们能通过互养作用（syntrophy）厌氧降解氨基酸。基于这些生理特性，此前推断阿斯加德古菌最后共同祖先（LAsCA）可能是一种依赖H₂的化能自养生物，而海姆达尔古菌祖先可能是一种厌氧的依赖H2的乙酸生成菌。这些推断基于对关键代谢途径的基因存在概率的分析，支持了真核生物起源的氢气假说，即真核生物起源于一个消耗H2的古菌宿主和一个产生H2的原线粒体的融合。与Eme等人的研究结果相反，研究者的分析揭示，海姆达尔古菌纲（Heimdallarchaeia）和霍达古菌目（Hodarchaeales）的祖先同样拥有完整的古菌WLP途径。研究者发现，Eme等人使用的海姆达尔古菌纲MAGs（含3个霍达古菌目基因组）中，古菌WLP的多个关键酶基因缺失。然而，本研究新增的22个霍达古菌目基因组（代表2个新科和7个新属）中，部分基因组或谱系保留了完整的古菌WLP。作为海姆达尔古菌纲的基部分支，霍达古菌目携带古菌WLP支持了冠群海姆达尔古菌的自养生活方式。

图6 阿斯加德共同祖先到洛基古菌和海姆达尔古菌祖先的进化过程

总结

总之，研究者结合先进的系统发育基因组学方法及大幅扩展的阿斯加德古菌样本，重新评估了阿斯加德古菌、Njordarchaeales与真核生物间的演化关系。研究发现，Njordarchaeales基因组可能代表主要由TACK古菌和Asgard古菌序列组成的嵌合组装体。这些异常组装的基因组会显著影响真核生物在古菌中的系统发育定位。在排除外类群并应用多组标记基因后，真核生物被明确置于阿斯加德古菌内部，作为Heimdallarchaeia的姐妹群，而非此前认为的嵌套于Heimdallarchaeia内并与Hodarchaeales分支。祖先重建表明，真核生物起源的宿主谱系是一种厌氧、依赖H₂的化能自养菌。这些发现修正了现有认知，填补了真核生物早期演化关键环节的空白。未来通过扩展Heimdallarchaeia的多样性及其分离培养，将进一步优化真核生物起源的进化重建。

文献链接

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08955-7

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