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在微生物的世界里，质粒作为关键的遗传元件，其在地球大陆地下微生物库中的作用却未明晰。研究人员分析 32 个地下井水的宏基因组样本，发现 4609 个非冗余移动遗传元件（MGEs），其中 14% 为质粒。该研究为了解地下水微生物组提供重要依据。
在神秘的微生物世界中，质粒就像一个个隐藏着遗传秘密的宝藏盒子。它们是微生物细胞中能够自我复制的 DNA 分子，在水平基因转移（HGT）和微生物进化过程里扮演着极为重要的角色。想象一下，微生物们通过质粒传递着独特的遗传信息，就如同传递着开启生存大门的钥匙。然而，尽管质粒广泛存在于各种环境中，可对于地球大陆地下这个重要的微生物 “大仓库” 来说，质粒在其中的影响却还是一团迷雾，亟待人们去揭开。尤其是在像纳米古菌和超小候选门辐射（CPR）细菌这些数量众多却未被深入探索的微生物类群中，质粒的情况更是知之甚少。同时，随着环境问题的日益凸显，了解质粒在地下水生态系统中的作用变得愈发重要，比如它们是否能作为环境变化的敏感指标等问题都有待研究。在这样的背景下，来自德国弗里德里希?席勒大学耶拿分校（Friedrich Schiller University Jena）、美国俄亥俄州立大学（The Ohio State University）等机构的研究人员决定深入探索原始地下水中质粒的奥秘，相关研究成果发表在《Environmental Microbiome》杂志上。
研究人员为了探究地下水中质粒的多样性、功能及其在水平基因转移中的作用，采用了多种关键技术方法。首先，他们从德国图林根州海尼希临界区探索项目（Hainich Critical Zone Exploratory）的 6 口地下水井中采集了样本，这些样本代表了不同的环境条件，包括有氧和无氧区域等。然后对样本进行了宏基因组测序，通过质量过滤、组装等一系列操作，获得了高质量的序列数据。接着利用多种预测工具，如 SCAPP、PlasX 和 DomCycle，对移动遗传元件（MGEs）进行预测和分类，从而鉴定出质粒。此外，还运用了蛋白质序列注释、病毒预测工具以及多种数据库，对 MGEs 进行进一步的分类和分析。
下面来看具体的研究结果：
- 移动遗传元件（MGEs）的存在：研究人员在 6 口选定的地下水井中总共鉴定出 4609 个非冗余 MGE 序列。这些 MGEs 被分为质粒（14.41%）、噬菌体（33.61%）和未分配 MGEs（uMGEs，51.98%）。预测的 MGEs 大小从 1000bp 到 270036bp 不等，质粒序列长度呈正态分布，平均占每个宏基因组组装总序列长度的 0.71%。通过分析还发现，uMGEs 在两个过滤级分中含量最丰富，而质粒含量最低。并且不同过滤级分和采样点的 MGEs 数量有所不同，同时还鉴定出了在所有井、同一过滤级分和不同过滤级分之间共享的 “核心 MGEs”。
- 质粒与微生物类群的关联：研究发现 37.51% 的 MGEs 与宿主相关，其中 59.64% 的质粒与宿主相关联。质粒主要与变形菌门（Pseudomonadota，42.17%）、硝化螺旋菌门（Nitrospirota，3.31%）、CPR 细菌（2.56%）和全营养菌门（Omnitrophota，2.11%）等微生物类群相关。不过，与其他研究相比，CPR 细菌中质粒的比例相对较低，这可能与它们的共生生活方式、较小的基因组大小和简化的代谢能力有关。此外，研究还发现大多数 MGEs 与已知质粒的相似性较低，表明地下水中的 MGEs 大多未被充分表征。
- 质粒与其他 MGEs 的宿主相似性：通过构建序列相似性网络，研究人员发现许多 MGE 模块主要由系统发育关系密切的细菌宿主携带，如 α - 变形菌纲（Alphaproteobacteria）中的鞘脂单胞菌目（Sphingomonadales）。同时，还存在一些包含不同分类群序列的混合模块，且 50.50% 的含有至少三个非冗余 MGEs 的模块是由质粒、噬菌体和 uMGEs 混合组成的杂交簇。
- 空间分布及相互作用：微生物群落和 MGEs 在不同采样点呈现出明显的空间分布差异，且这种差异与采样点密切相关。同时，研究还发现微生物和 MGE 群落之间存在显著的正相关关系，比如质粒与硝化螺旋菌目（Nitrospirales）、CPR / 帕氏菌门（Patescibacteria）、变形菌门（Pseudomonadota）和纳米古菌（Nanoarchaeota）等分类群之间存在强正相关。
- 质粒的功能特征：与其他 MGEs 相比，质粒在无机离子运输和能量生产相关基因上显著富集。不同过滤级分的质粒功能存在差异，例如 0.1μm 过滤级分的质粒中含有与烃降解和硫代谢相关的基因，而两个过滤级分的质粒中都存在与氮代谢和产甲烷相关的基因。此外，研究还发现了一个与钴胺素生物合成相关的共轭质粒，以及一个与汞还原相关的质粒，但在质粒和其他 MGEs 中未检测到高置信度的抗生素抗性基因（ARGs）。
综合研究结果和讨论部分，这项研究有着重要的意义。它首次深入地对原始、低细胞密度的地下水系统中的质粒库进行了全面表征，揭示了质粒在该环境中的多样性、分布、功能以及与微生物宿主的相互作用。研究发现质粒在低细胞密度和贫营养环境中，对于促进系统发育相关微生物之间的基因传播起着重要作用，同时可能作为 “公共物品” 的载体，影响微生物的相互作用和生态系统过程。此外，研究中未发现高置信度的抗生素抗性基因，这强调了保护地下水原始状态的重要性，以维护其独特的遗传和功能景观。然而，目前的研究也存在一些局限性，如受限于短读长测序技术和现有预测工具，可能低估了质粒的多样性和完整性，对宿主关联的解析也不够准确。未来，整合长读长测序、改进的 DNA 提取协议和更先进的宿主映射技术等，将有助于更深入地了解地下水微生物组中质粒的生态和进化意义，为保护地下水生态系统和揭示微生物生命的奥秘提供更多有价值的信息。
