iMetaOmics | 深圳大学李猛组-沉积物中古菌的多样性和代谢潜能

探索沉积物中古菌的生活：多样性、代谢潜力和生态角色

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●  多种多样的古菌广泛分布在各种沉积物生态系统中；

●  古菌是沉积物中元素生物地球化学循环的重要参与者；

●  本文总结及提出了一些古菌领域研究的热点和前景。

引  言

古菌是一类构成生命独特域的多样化原核生物，在许多方面与细菌和真核生物不同。1990年，Woese等人基于核酸序列比对和系统发育分析，提出了将古菌划分为一个全新的域——古菌域，与细菌域和真核生物域并列。值得注意的是，古菌拥有独特的细胞结构和遗传信息处理系统，尽管其在形态上与细菌相似，但在基因组复制、转录、翻译以及其他遗传信息传递机制方面，古菌与真核生物更为接近。最初，古菌被认为主要栖息于高温、酸碱等极端环境。然而，嗜常态古菌种群的发现极大地拓宽了我们对古菌分布的理解，它们多样的代谢潜能对于推动不同生态系统中的各种元素循环发挥着关键作用。

沉积物覆盖了地球表面的一半以上，是地球上最大的微生物栖息地之一，其中也蕴含着大量的古菌。最近的估计表明，古菌构成了底栖微生物群落的重要部分，在远洋区域约占12.8%，在近海边缘区域则高达约40.0%。古菌分布于从内陆、陆海交界处到开阔海洋的连续沉积生态系统中。在这篇综述中，我们收集并重新分析了来自GTDB的2063个从沉积物样品中获得的代表性古菌基因组。该数据集涵盖了来自热泉、盐湖、淡水湖、内陆河流、河口、近岸地区、红树林、海底沉积物、冷泉和热液喷口等339个样本。在GTDB目前公认的19个古菌门中，有18个门的代表性基因组已在沉积物环境中被报道，涵盖了48个古菌纲。基于对这2063个代表性古菌基因组的分析，我们探讨了沉积物古菌的多样性和生态意义，揭示了它们在全球地球化学循环中的角色。我们阐明了广泛分布的古菌种类以及生存在极端环境中的类群，总结了它们于碳、氮和硫循环相关的代谢潜能以及对沉积物生态系统的贡献。

不同沉积物环境中的古菌多样性

在这篇综述中，我们汇总了来自不同沉积物栖息地的2063个代表性基因组（图1A和1B）。在热泉、海底沉积物和热液喷口沉积物中发现了最多的古菌代表性基因组，而在陆海交界区域的代表性基因组相对较少（图1C）。受潮汐运动和河流排放的影响，陆海交界区域汇聚了多种多样陆源和海洋古菌，可能导致该区域独特的古菌数量较少。本文所使用的2063个代表性基因组涵盖了18个门，主要包含Thermoproteota、Halobacteriota、Asgardarchaeota、Nanoarchaeota和Thermoplasmatota（图1D）。在纲水平上，不同环境中的古菌群落的组成明显不同（图2A）。一些古菌类群，例如Methanosarcinia、Methanomicrobia、Nitrososphaeria、Bathyarchaeia、Thermoplasmata、Nanoarchaeia、Lokiarchaeia和Thorarchaeia，在从内陆到海洋沉积物环境中广泛分布（图2B）。相反，其他一些嗜热和嗜盐的类群主要分布在特定的栖息地中。以下各节将详细阐述在不同环境中发现的主要古菌群。

广泛分布的古菌类群

氨氧化古菌（AOA）目前被归类于Nitrososphaeria纲，是陆地和海洋好氧沉积物中最为普遍的微生物之一（图2B）。它们的分布和系统发育已通过分析功能基因（amoA，编码氨单加氧酶亚基A）和16S rRNA基因进行了广泛研究。自Nitrosopumilus maritimus SCM1被分离出来以来，这类好氧及自养生物的生态生理学已得到较为全面的研究。针对amoA基因的研究表明，AOA的丰度和分布与环境条件密切相关，其中NS-δ和NS-γ（Nitrososphaeraceae）谱系在土壤中占主导地位，NT-α在淡水沉积物（Ca. Nitrosotaleales）中占主导地位，NC-α在热泉（Nitrosocaldaceae）中占主导地位，NP-γ和NP-α（Nitrosopumilaceae）在海洋沉积物中占主导地位。这种不均匀的检测频率凸显了环境适应策略对于它们的高多样性和广泛分布的重要性。

图1. 古菌代表性基因组的地理分布概况

(A) 沉积物古菌代表性基因组的全球分布。(B) GTDB中来源于沉积物样品的古菌代表性基因组的比例以及本文中使用的高质量基因组的百分比。(C) 不同沉积物生境中古菌代表性基因组的数量。(D) 沉积物古菌代表基因组的系统发育树。

Methanosarcinia、Methanomicrobia和Methanobacteria是广泛分布在缺氧沉积物中的产甲烷菌，这些产甲烷菌在陆地、陆海交界和海洋生态系统中广泛分布（图2B），且在河口地区这些产甲烷菌的丰富度最高。第一个被分离的古菌报道于1958年，是一种Methanobacteriales目下的产甲烷菌。随后，多种产甲烷菌的分离培养使得他们被划分为I类（Methanococci、Methanopyri和Methanobacteria）和II类（Methanosarcinia、Methanomicrobia和Methanocellia），它们主要利用乙酸盐、H₂/CO₂和甲基化合物作为底物进行产甲烷过程。最近的研究发现了三个新的产甲烷菌类群：包括Methanomassiliicoccales（以前称为RC-III，现在归属于Thermoplasmata纲）、Methanofastidiosa（以前称为WSA2，现在归属于Thermococci纲和Methanonatronarchaeia。

Bathyarchaeia最初被称为Miscellaneous Crenarchaeotal Group （MCG），发现于缺氧的深海海底沉积物中。尽管缺乏纯培养或富集物，利用16S rRNA基因和宏基因组分析的研究揭示了这些厌氧生物广泛分布在沉积物生态系统中，并且它们具有多样的代谢潜能。最近的一项研究将304个Bathyarchaeia的代表性宏基因组组装基因组（MAGs）分类为八个具有不同环境特征的目。从进化角度来看，Bathyarchaeia被认为主要从盐水起源向淡水环境发展，表明盐度是影响其群落组成和分布的关键因素。这种特定栖息地的分布强调了Bathyarchaeia在各种沉积环境中的多样化代谢能力、生态功能和适应策略。

Pacearchaeales和Woesearchaeales（以前分别为Deep-sea Hydrothermal Vent Euryarchaeota Group 5和6）是Nanoarchaeia纲的重要组成，它们最初被发现在深海的甲烷冷泉和热液喷口沉积物中。随后的研究表明，它们是跨越不同陆地和海洋沉积物栖息地的古菌类群之一。最近的一项研究强调了Woesearchaeales在淡水沉积物和沿海地区的广泛分布，并主要根据盐度将其分类为十个亚群。Nanoarchaeia的大多数成员具有极小的细胞大小和基因组大小，以及有限的代谢能力等特征。

阿斯加德古菌（Asgardarchaeota）是一类在多样高且分布广泛的类群。阿斯加德古菌含有许多真核生物标志蛋白（ESPs），这些蛋白参与调节诸如细胞骨架重塑、信号转导、核质运输和囊泡运输等过程，并且与真核生物有密切的系统发育关系。继最初发现Lokiarchaeia（以前称为Marine Benthic Group B，MBG-B）之后，又鉴定出一系列额外的阿斯加德类群，包括Thorarchaeia、Odinarchaeia、Heimdallarchaeia、Helarchaeales（目前被归类在Lokiarchaeia纲内）、Gerdarchaeota（重新分类为Heimdallarchaeia纲内的JABLTI01目）和Wukongarchaeia。截至2023年，阿斯加德古菌已扩展到17个不同的谱系，分类水平覆盖科级到纲级。在这个多样化的群体中，Lokiarchaeia和Heimdallarchaeia主要分布在海洋沉积环境中，而Thorarchaeia表现出更广泛的生态广度，栖息在湖泊、河口和海底沉积物中（图2B）。最近发现的Helarchaeales和JABLTI01分别主要分布在深海和沿海近岸沉积物中。阿斯加德古菌日益增长的多样性能为阐明真核生物的进化轨迹提供更多的理论支持，增进了我们对其生态角色的理解。

图2. 不同沉积物生境古菌群落组成

(A) 陆地生境、陆海交汇区和海洋环境沉积物中古菌群落组成。(B) 每个古菌纲中来自不同环境的代表性基因组比例。

极端环境中的古菌类群

地球上的生命存在于自然及人工的淡水、盐水和高盐环境。古菌在盐湖的微生物群落中扮演着重要角色，尤其是在盐度超过50.0 g/L的高盐湖泊中。例如，在盐度超过300 g/L的柴达木盆地东台吉纳尔盐湖，古菌序列占所有宏基因组数据的95%以上，显示出压倒性的优势。生活在盐湖中的古菌种类繁多（图2A）。大多数已知的嗜盐古菌在系统发育上属于Halobacteria纲，截至2023年，该纲已发表的有效物种名称超过357种。嗜盐产甲烷菌主要来自Methanosarcinia和Methanomicrobia纲，在盐湖的古菌群落中占据重要地位，而且它们能够在接近饱和盐度的条件下生存。最近，科学家在高盐湖泊中发现的一种甲基还原产甲烷菌Methanonatronarchaeum thermophilum，被归类于新的Methanonatronarchaeia纲。此外，Nanosalinea纲（以前称为Nanohaloarchaeaota）也在各种盐湖中被报道。对新型嗜盐菌的持续探索，例如在Thermoplasmata纲中发现的Halarchaeoplasmatales，加深了我们对高盐生态系统的功能和生物地球化学循环的理解。

陆地热泉是一类全球分布且相对隔离的栖息地，蕴含着多样化的微生物。热泉的物理化学特性变化范围大，如pH值从-0.8到10.5，温度范围从低于10°C到高于100°C，显著影响了微生物群落的组成。古菌通常在热泉中占主导地位，主要类群包括适应酸性、碱性和热环境的极端微生物。通过16S rRNA基因和宏基因组调查，热泉中常见的古菌包括Korarchaeia、Thermoplasmata、Thermoprotei、Archaeoglobi和Thermococci。近年来，随着热泉中新发现的古菌类群，如Aigarchaeota（目前被分类为Nitrososphaeria_A纲中的Caldarchaeales）、Geothermarchaeota（以前被称为Terrestrial Hot Spring Crenarchaeota Group，THSCG，现在被分类为Nitrososphaeria纲中的Geothermarchaeales）和Methanomethylicia（以前被称为Verstraetearchaeota）（图2A），进一步证实了热泉中古菌的多样性，扩展了我们对嗜热古菌群落的认识。

古菌栖息在从表层硫酸盐还原层到深层产甲烷带的沉积物中。与好氧表层（由好氧Nitrososphaeria纲主导）不同，深层产甲烷带栖息着多种适应深海环境的厌氧古菌。例如Bathyarchaeia和Asgardarchaeota普遍存在于表层沉以下的厌氧沉积物中；Hadarchaeia（South-African Gold Mine Miscellaneous Euryarchaeal Group，SAGMEG）和Theionarchaea（以前称为Z7ME43，属于Thermococci纲）在更深的层沉积物中丰度更高。最近报道的几个类群，例如Thermoprofundales（以前称为Marine Benthic Group D和DHVEG-1，目前归属于E2纲）和Brockarchaeota（现在被分类为EX4484-205纲），也在海底沉积物中广泛分布，表明海底沉积物是多样化古菌的储存库。

热液喷口通常位于全球大洋中脊和海底扩张中心。热液沉积物含有多种还原硫化合物、有机化合物和重金属，是海洋中一个独特的生境。这些环境中的微生物群落主要由嗜热菌和超嗜热菌组成（图2A），主要属于Thermoprotei、Archaeoglobi、Thermococci和Methanosarcinia纲。Hydrothermarchaeia（以前被称为Marine Benthic Group E，MBG-E）是热液喷口环境中另一类重要的优势微生物，并被认为能够在其他非极端环境中生存。其他生活在热液喷口的谱系包括Bathyarchaeia、E2和Nanoarchaeia（图2A）。由于采样难度的限制，热液喷口中的古菌多样性可能超过了我们当前的认识。

海洋冷泉通常位于大陆架边缘，以持续的烃类流体和甲烷气体渗漏为特征，蕴含着丰富的古菌多样性。厌氧甲烷氧化菌（ANME），包括ANME-1（属于Syntropharchaeia纲）和ANME-2（属于Methanosarcinia纲）（图2A），是冷泉中最常见的古菌类群，它们在冷泉的微生物群落中占主导地位。ANME还参与缺氧淡水和沿海沉积物中的共生厌氧甲烷氧化过程。此外，多项研究从全球冷泉沉积物宏基因组中重构了Lokiarchaeia、Heimdallarchaeia、Bathyarchaeia和Nanoarchaeia的基因组，进一步体现了这类独特生态系统中古菌群落的高多样性。

沉积物中古菌多种多样的代谢潜能

古菌的高丰度和多样性使其在沉积物的生物地球化学循环中发挥关键作用。在这篇综述中，我们利用1543个高质量的古菌代表性基因组，预测了沉积物古菌的代谢潜力。宏基因组分析揭示了不同古菌类群在各种栖息地中的代谢能力，尤其是碳、氮和硫的代谢过程。图3中的示意图展示了不同沉积物栖息地中古菌群落中的碳、氮和硫循环；图4总结了每个古菌纲中关键代谢过程的存在与否。以下各节将结合基因组分析和最新文献报道，深入探讨沉积物古菌参与的生物地球化学循环过程。

图3. 不同沉积物生境中古菌群落参与的碳、氮和硫循环过程示意图

线条的颜色代表不同的生境。线条的粗细表明了古菌群落中参与每个代谢过程中的基因组的比例。

碳代谢

固碳过程在沉积物古菌群落中普遍存在，尤其是在陆海交界处的沉积物中 （图3）。古菌碳固定机制的分布反映了它们的进化状态和生态位。随着基因组数据和实验验证的增加，参与固碳过程的古菌类群比以往认为的更为多样。还原乙酰辅酶A途径（Wood-Ljungdahl途径，WL）和还原三羧酸循环（rTCA）是古菌群落中主要的固碳途径，而其他碳固定途径则限制在特定类群中。3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate，3HP/4HB）仅限于好氧的Archaeoglobi和Thermoprotei_A类成员，而3HP和二羧酸/4-羟基丁酸（dicarboxylic acid/4-hydroxybutyrate，DC/4HB）循环则是嗜热和嗜盐类群的主要固碳途径（图4）。值得注意的是，AOA拥有的改良HP/HB途径被认为是效率最高的好氧碳固定途径之一。有趣的是，Lokiarchaeia的基因组中发现了完整的DC/HB代谢通路，表明它们可能具有自养生长的潜力。此外，Asgardarchaeota、Halobacteriota和Thermoproteota普遍具有将C1化合物转化为有机产物的潜能。然而，目前的相关见解主要来自宏基因组数据分析，需要进一步研究以确认这些途径的实际功能。

红树林、河口和冷泉沉积物的古菌群落中可能含有更高比例的产甲烷古菌 （图3）。产甲烷菌将乙酸盐、H₂-CO₂和甲基化合物转化为缺氧沉积物中的甲烷。最近的基因组研究揭示了mcrA（甲基辅酶M还原酶）存在于多种类群的基因组中，包括Korarchaeia、Nitrososphaeria、Verstraetearchaeota（目前被重新分类为Methanomethylicia纲）、Nezhaarchaeales和Helarchaeales （图4）。微宇宙实验进一步证实了包括Nezhaarchaeales和Korarchaeia在内的这些非传统产甲烷菌的产甲烷能力，表明这一类群微生物的多样性仍有待发现和拓展。ANME在各种环境中都有发现，是地球碳通量的关键驱动因素，是甲烷的重要生物汇。ANME能够在厌氧环境中将甲烷转化为二氧化碳，一定程度上能减轻沉积物中的温室效应。此外，利用甲基化合物的能力在Asgardarchaeota中普遍存在，包括最近提出的Sifarchaeia和Freyarchaeia纲，以及新定义的Atabeyarchaeia纲，表明它们在调节沉积物中的甲烷通量方面可能发挥重要作用。

发酵过程包括一系列生化反应，例如水解、酸化、乙酸化和产甲烷，微生物通过这些反应将复杂的碳化合物降解为更简单的分子，如乙酸盐、乙醇和CO₂。各种环境中的许多古菌类群都有发酵和有机化合物降解的能力（图4）。这种潜力在Asgardarchaeota成员中尤为显著，它们能利用复杂的碳水化合物和蛋白碎屑等有机物进行异养生长。最近的宏基因组研究表明，作为缺氧的近岸沿海和海底沉积物中的优势类群，Bathyarchaeia、Thermoprofundales和Theionarchaea都具有发酵的代谢潜能，表明它们可能在降解沉积物中的有机碳底物从而产生乙酸盐和酒精方面发挥作用。此外，一些潜在的嗜热产乙酸菌，例如EX4484-205和Hydrothermarchaeia可能在地热生态系统中转化各种碳底物。

氮代谢

氮固定是氮循环中的一个关键过程，固氮微生物能够将N₂转化为生物可利用的氮化合物，沉积物中的氮气也是反硝化作用的最终产物。与细菌不同，具有固氮能力的古菌种类相对有限，主要分布于产甲烷菌和硫酸盐还原菌中。最近的多项研究在沉积物样品中Bathyarchaeia、Archaeoglobi、Methanomethylicia、Theionarchaea和某些Asgardarchaeota的基因组中发现了nifH（固氮酶铁蛋白）基因的存在（图4），表明固氮的潜力可能覆盖更广泛的古菌类群。

硝化作用显著影响生态系统中无机氮的可用性。微生物氨氧化是硝化的第一个也是限速步骤，主要由AOA、氨氧化细菌（AOB）和完全氨氧化菌（comammox细菌）介导。迄今为止，所有已鉴定的AOA都属于Nitroso1sphaeria纲，它们对氧气的需求低、盐度耐受性广以及对氨的细胞亲和力高，因而被认为是各种环境中氨氧化的主要贡献者。此外，有研究在来自盐湖沉积物的Halobacteria纲的基因组中检测到了编码硝酸盐氧化还原酶的关键基因（nxrAB）；基因组研究发现，生活在陆地地下含水层的Nitrososphaerales基因组中存在硝酸盐氧化还原酶同源物，可能是通过与共存细菌的水平基因转移获得。

相反，反硝化作用将无机氮化合物（NO₂⁻和NO₃⁻）转化为大气中的N₂气体，对于沉积物中的氮去除至关重要。参与反硝化过程的古菌利用硝酸盐或亚硝酸盐作为厌氧呼吸的电子受体，产生气态NO、N₂O和N₂。嗜热和嗜盐古菌普遍能够参与反硝化作用（图4）。部分AOA基因组中编码了亚硝酸盐还原酶（nirK），表明它们有可能通过“硝化菌反硝化”途径产生N₂O。最近的研究表明，Thorarchaeia、Heimdallarchaeia和Thermoprofundales也可能参与底栖沉积物中的亚硝酸盐或硝酸盐还原。然而，它们在沉积物中氮循环中的重要性需要进一步的基因表达证据来验证。

图4. 沉积物古菌在纲水平上的代谢潜能汇总

为了可视化和简单起见，左侧的基因组系统发育树中，属于同一门的基因组进行折叠。括号内的数字表示相应古菌纲内的基因组数量。白色圆圈表示该古菌纲缺少路径。灰色圆圈表示在该古菌纲中至少有一个基因组编码该基因，而彩色圆圈表示该古菌纲中这个基因出现频率超过50%。

硫代谢

硫的氧化是极端环境中主要的能量获取策略。参与硫氧化过程的关键基因，如硫双加氧酶（sulfur dioxygenase，sdo）和硫氧化/还原酶（sulfur oxygenase/reductase，sor），在盐湖沉积物中的Halobacteriota和Thermoplasmatota类群中广泛分布（图4）。此外，Heimdallarchaeia和Bathyarchaeia也可能参与海底和近岸沉积物中的硫氧化过程。最近的研究表明，在温泉沉积物中Caldarchaeales（以前被称为Aigarchaeota）和Nitrososphaerales参与了硫氧化过程。在热液喷口环境中，Hydrothermarchaeia是硫化物和硫代硫酸盐氧化过程的重要参与者。

相反，硫化合物的还原在各种古菌谱系中更为常见。大多数嗜热的Thermoprotei和Archaeoglobi拥有与腺苷硫酸还原酶（adenylylsulfate reductase，aprA）、硫酸腺苷基转移酶（sulfate adenylyltransferase，sat）和异化硫化物还原酶（dissimilatory sulfide reductases，dsrABD）相关的基因（图4）。在地热生境中，Caldarchaeales、Pacearchaeales和Woesearchaeales可能参与异化硫酸盐还原过程，EX4484-205可能通过利用H₂或有机底物还原硫从而产生H₂S。此外，某些温泉沉积物中的Korarchaeia同时含有甲基辅酶M还原酶和异化硫化物还原酶相关基因，表明它们可能将硫还原过程与的厌氧甲烷氧化过程耦合。巧合的是，Hydrothermarchaeia具有将硝酸盐还原与还原态硫化合物的氧化过程耦合的潜力，这也是它们在热液喷口环境中主要的能量产生过程。嗜盐Halobacteria通过异化还原二甲基亚砜产生二甲基硫，是参与盐湖中硫化合物转化的主要类群。硫酸盐还原过程也可能由在河流、近岸和海底沉积物中广泛分布的Bathyarchaeia和Nitrososphaeria进行（图4）。特别是在近岸沿海地区，Theionarchaea可能是底栖沉积物中多硫化物和硫代硫酸盐还原过程的重要参与者。由于许多古菌类群都同时编码与硫底物还原酶和氧化酶相关的基因，古菌在沉积物硫循环的具体贡献需要通过原位的检验及相关实验验证。

展  望

在基因组时代，由于高通量测序等技术的快速发展，我们对古菌多样性、分布、代谢潜力和生态角色的理解取得了显著进展。然而，一些新类群仅能通过rRNA调查被识别，一些潜在的新类群由于引物偏差难以发现，表明基于有限的16S rRNA和功能基因的分析可能会遗漏许多古菌类群。最关键的是，这些基因的存在并不总能表明它们的活性或生态功能，难以准确评估它们在局部环境中的作用和贡献。因此，亟需将现场的物理化学参数与基因组数据相关联。近期报道的一些新技术，诸如DNA稳定同位素探针（DNA-SIP）、宏转录组学、代谢组学和宏蛋白组学等有助于功能预测；例如rRNA靶向荧光原位杂交(FISH)和生物正交非规范氨基酸标记的荧光激活细胞分选(BONCAT-FACS)等方法。将群落水平的基因组重建与活性测定相结合，可以更清楚的展示微生物多样性及其代谢机制。另一方面，关于古菌生理学和进化的许多假设仍需通过基于培养的实验来验证。最近的一些创新方法，包括共培养、直接种间电子转移、单细胞分离和高通量培养等技术，提高了古菌分离培养的效果，可能使以前无法培养的古菌得以分离，促进了生理学研究的发展。

古菌研究的热点也在不断扩展，从早期关注它们的多样性和代谢功能，到目前关注古菌病毒的作用以及真核生物起源的问题。古菌病毒是病毒圈中最引人注目的研究热点之一，以其独特的形态类型和基因组组成而著称。宏基因组学、单细胞基因组学和基因组挖掘揭示了古菌病毒的独特多样性，它们具有在细菌噬菌体或真核病毒中未观察到的独特形态类型。这些研究显著推进了我们对古菌病毒的理解，同时也强调了其在微生物群落动态和全球营养循环中的关键生态角色。此外，真核生物的起源仍然是现代生物学中的一个重要争论点。古菌的发现显著丰富了我们对生命多样性的理解，例如阿斯加德古菌含有各种参与细胞骨架形成、运输、翻译、转录和降解途径的真核生物标志蛋白（ESPs），成为了真核生物起源于古菌宿主模型的有力支撑。

结  论

综上所述，古菌的发现引发了与细胞生命相关的“进化革命”，对古菌多样性和代谢潜力的持续探索突出了它们在生物地球化学循环中的关键性。尽管宏基因组、宏转录组等不依赖于培养的技术推进了我们对大多数古菌类群的研究，但培养和长期富集实验对于验证由基因组推断的代谢能力和生态功能至关重要。此外，建模和长期监测分析对于阐明古菌与其他微生物、病毒和人类之间的复杂关系和相互作用是必要的。吸纳各学科之精，整合多方法之长，才能更加深入、全面地理解古菌生物学。

方  法

基因组数据收集

为了展示和比较不同沉积物环境中的古菌多样性，我们从公开可用的GTDB数据库中收集了代表性古菌基因组。从GTDB在线存储库（https://data.gtdb.ecogenomic.org/releases/release220/）中提取了每个古菌基因组的元数据，包括样品种类、样本位置和基本的基因组信息。在12,447个代表性古菌基因组（GTDB Release 220）中，基于以下标准选择了2063个物种级基因组进行后续分析：（i）基因组的来源为自然沉积物；（ii）基因组附带了空间位置数据，包括纬度和经度等等；（iii）基因组质量为完整度≥50%且污染度≤10%（表S1）。这些2063个代表性古菌基因组在全球各种沉积环境中分布，包括内陆温泉、盐湖、淡水湖、河流、红树林、河口、沿海地区、海底沉积物、冷泉和热液喷口（表S1和图1A），涵盖了18个门、52个纲、120个目、331个科和769个属。此外，为了更精确地描绘这些基因组的系统发育和代谢功能，我们使用了1543个高质量基因组（完整性≥80%且污染≤10%），涉及16个门和48个纲，用于系统发育分析和功能注释（图1B）。

功能注释

利用GTDB-Tk（v.2.4.0）软件从1543个高质量基因组中提取了53个串联的保守古菌标记基因的序列，并使用trimAl（v.1.4.rev22）软件移除比对不佳的区域。合格的序列通过IQ-TREE（v.2.3.6）软件进行系统发育分析，并使用ModelFinder确定最佳模型为LG + F + G4。进化树的可视化在iTOL（v.6）平台中完成。这些基因组的功能注释使用METABOLIC-G（v.4.0）软件进行（采用默认设置）。利用该软件，我们总结了1543个基因组中涉及碳、氮和硫循环的61个主要代谢途径的存在或缺失情况（表S2），比较了不同沉积物生境中古菌群落中碳、氮和硫相关代谢途径的普及情况（表S3）。此外，对每个古菌纲中参与每个碳、氮和硫循环的代谢途径的代表性基因组数量进行了统计（表S4）。

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