全球土壤质粒组资源揭示质粒在土壤微生物组中的功能与生态作用

《Nature Communications》：A global soil plasmidome resource unveils functional and ecological roles of plasmids in soil microbiomes

本研究针对土壤环境中质粒（plasmid）多样性及功能认知不足的问题，通过构建全球土壤质粒组资源（GSPR），系统分析了来自6860个土壤微生物群落的98,728个质粒序列。研究揭示了质粒编码的效应器模块、群体感应和应激抵抗等功能对微生物适应性的贡献，CRISPR分析表明质粒间竞争普遍存在。该资源为探索质粒在自然环境中作用建立了基础框架，对微生物生态学、生物技术及医学领域具有重要意义。

　　

土壤是地球上最复杂的生态系统之一，蕴藏着惊人的微生物多样性。这些微小的生命体驱动着全球养分循环、碳储存和矿物生物有效性等关键生态过程。在这一微观世界中，质粒（plasmid）——一种染色体外可自主复制的DNA分子，扮演着微生物适应环境的重要角色。它们像自然的基因快递员，通过水平基因转移（HGT）在不同微生物间传递抗菌素抗性基因（AMR）、应激抵抗基因和各类特殊功能基因。然而，由于鉴定挑战，我们对自然环境中特别是土壤这类复杂生态系统中质粒的动态、功能和宿主关联的理解仍然十分有限。现有研究多集中于临床或人类相关环境中分离培养微生物的质粒，而对未培养微生物中质粒的多样性和功能认知存在巨大空白。

为填补这一知识空白，由美国能源部联合基因组研究所Mateus B. Fiamenghi领衔的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。研究人员构建了全球土壤质粒组资源（GSPR），这是迄今为止最全面的土壤质粒数据集，包含从6860个陆地微生物群落和分离株中收集的98,728个质粒序列。通过系统发育多样性分析、宿主预测和广泛的功能注释等多种计算方法，研究揭示了质粒对土壤遗传和功能多样性的贡献，并将这些发现与样品类型及其来源的土壤生境相关联。

研究采用的计算方法主要包括：从IMG/M和MGnify数据库获取土壤样本的组装宏基因组和宏转录组数据，使用geNomad软件鉴定质粒序列；通过BLAST全对全搜索和Leiden算法将质粒聚类为质粒操作分类单位（pOTU）；利用iPHoP和MMseqs2等工具预测质粒宿主；使用CRISPRCasTyper鉴定CRISPR阵列并分析其靶标；通过antiSMASH、AMRFinderPlus、dbCAN等工具进行功能注释，包括生物合成基因簇（BGC）、抗菌素抗性基因（AMR）和碳水化合物活性酶（CAZyme）等的检测。

结果

土壤生态系统中质粒的广泛作用

研究团队筛选了7310个来自IMG/M和226个来自MGnify的土壤样本组装宏基因组和宏转录组，使用geNomad鉴定了1,870,098个推定质粒基因组。经过严格过滤，最终保留了98,728个序列（称为Meta质粒），并与来自土壤分离株的8,810个先前已知的质粒（称为Isolate质粒）结合，形成了包含107,538个质粒序列的GSPR。去冗余后，98,281个质粒被聚类为57,265个pOTU。

分析显示，土壤pOTU大多局限于单一土壤生境，仅有4769个非单例pOTU存在于多个生境中，表明质粒基因组可能表现出对其土壤生境的特定适应性。来自分离株的完整质粒基因组大小显著长于来自宏基因组的完整质粒。大多数Meta质粒未检测到与动员或接合相关的基因，凸显了土壤环境和宏基因组组装的挑战。

质粒具有广泛的推定宿主

通过使用分离质粒的分类学、iPHoP和MMseqs2，研究预测了56,764个质粒（33,723个pOTU，占总数的59%）的推定宿主。预测宿主分布 across 56个门（53个细菌门，3个古菌门），包括283个目。在218个目（占总数的77%）中，仅有来自Meta质粒的成员，而8个目仅有分离株质粒。宿主系统发育树显示，尽管推定质粒宿主的系统发育多样性广泛，但仅有少数宿主目表现出高pOTU计数。

大多数pOTU的宿主范围在物种或属水平，但大量pOTU具有跨科的宿主范围，表明某些土壤质粒可能具有广泛的宿主范围。研究还发现，pOTU大多占据与其宿主相同或更少的生境，表明虽然质粒依赖其宿主，但土壤环境中的非生物因素在塑造其分布和持久性方面也起着关键作用。

CRISPR阵列揭示质粒、宿主和土壤病毒间的生态动力学

CRISPR-Cas系统是细菌和古菌中的重要防御机制。研究团队筛选所有土壤宏基因组contig中的CRISPR阵列，以理解质粒与其宿主之间以及可能感染相同宿主的病毒之间的动力学。

质粒导向的分析发现，质粒编码的CRISPR阵列中的间隔序列大多靶向其他质粒，这与先前研究一致，进一步表明质粒中的CRISPR系统可作为防御其他试图定植同一宿主的质粒的有用工具。宿主导向的分析则发现，虽然大多数间隔序列专门靶向病毒，但相当一部分专门靶向质粒。对CRISPR靶向质粒中蛋白质的Pfam注释分析显示，富集的功能包括PsiA、Cas2、PsiB、TraT和RepB，这些功能与基因组调控和免疫系统相互作用有关。

质粒功能揭示其在不同土壤生态系统中的分布模式

研究调查了GSPR在不同土壤生境中的功能贡献，重点关注可能赋予适应性优势并影响质粒在其宿主中流行的性状。平均而言，基于与这些数据库的匹配，为62%的Meta质粒基因和69%的Isolate质粒基因分配了功能注释。

主成分分析（PCA）显示，每个土壤生境表现出独特的功能谱。基于Pfam数据，根际（Rhizosphere）是最独特的生境，主要由两个LysR家族结构域（PF00126和PF03466）驱动。基于KO术语，草地（Grasslands）是分离度最高的生境，主要由几种脱氢酶KO（K00076、K05296、K07548）驱动。基因集富集分析（GSEA）显示，Meta质粒在致病性/效应器方面有富集术语，而Isolate质粒在碳青霉烯类抗性、芸苔素内酯生产和固氮途径方面有富集术语。

土壤质粒中特殊功能的见解

研究还调查了GSPR中编码的特殊功能，重点关注抗菌素抗性（AMR）、生物合成基因簇（BGC）和抗菌肽（AMP）等关键性状。

研究在5,824个质粒（3,825个pOTU）中鉴定出至少一种特殊功能，其中大多数编码BGC。BGC聚类为3,070个家族，其中仅79个有MIBiG注释。Meta质粒富集于RiPPs和其他BGC，而分离株富集于NRPS、萜类、PKSI和PKS-NRP杂交体。大多数抗性系统在Isolate质粒中更常见，但酸抗性和AMR外排在Meta质粒中更普遍。研究还鉴定了1,750个抗菌肽（AMP），聚类为1,228个AMP组，其中大多数为新序列。此外，研究发现了14,497个质粒（来自7,216个pOTU）编码碳水化合物活性酶（CAZyme），其中最普遍的是GH23（裂解性转糖基酶/几丁质酶）。

讨论与结论

本研究通过构建全球土壤质粒组资源（GSPR），显著拓展了我们对自然环境中质粒多样性、功能和宿主关联的认知。研究表明，土壤质粒编码的功能在微生物适应和相互作用中发挥关键作用，包括效应器传递、群体感应、应激抵抗和特殊代谢物合成等。CRISPR分析揭示了质粒间和质粒-宿主间的复杂军备竞赛动态，质粒编码的CRISPR系统主要靶向其他质粒，可能作为质粒持久性机制。功能分析显示，Meta质粒和Isolate质粒在功能谱上存在显著差异，Meta质粒在效应器和群体感应相关功能上富集，而Isolate质粒在抗菌素抗性和氮固定等方面富集。特殊功能分析强调了质粒在微生物竞争、群落互作和环境适应中的重要性，同时揭示了土壤质粒作为新型抗菌肽和生物活性化合物来源的巨大生物技术潜力。

GSPR的建立为探索质粒在自然环境中作用提供了宝贵框架，对微生物生态学、环境生物技术、新型抗生素发现和气候变化应对研究具有重要意义。尽管存在诸如完整Meta质粒数量有限、宿主预测的计算局限性等挑战，但本研究无疑在阐明土壤微生物组中质粒多样性和功能方面迈出了重要一步，为未来研究奠定了坚实基础。随着对气候变化的微生物适应兴趣日益增加，这些发现表明质粒编码的应激抵抗功能可能在塑造微生物生态系统动态中发挥关键作用，质粒通过水平基因转移（HGT）跨微生物种群传递这些性状的能力进一步强调了它们在增强群落水平应激耐受性方面的生态意义。