Nat Commun: 地球早期磷循环演化

地刊速览 · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-12-28 08:57

主要观点总结

最新文章揭示地球早期磷循环演变过程。通过对微生物利用磷元素相关基因的演化历史的分析，研究为理解地球早期生命演化和生物地球化学循环提供了新的见解。磷是生命的基本组成部分，对生物分子的合成至关重要。

关键观点总结

关键观点1: 研究发现负责磷酸盐转运的基因在古太古代就已出现，表明当时海洋磷酸盐浓度较高。

研究通过基因组学方法重建了地球生命演化树，分析了与磷循环相关基因的演化历史。

关键观点2: 利用还原态磷的基因出现较晚，提示古太古代晚期磷酸盐浓度可能下降，微生物开始利用亚磷酸盐和膦酸盐等替代磷源。

研究指出，在太古代，虽然许多微生物已经具备了利用磷酸盐的能力，但只有少数物种可以利用还原态磷化合物。

关键观点3: 大氧化事件后，生命多样性增加，对磷的需求增长，推动了微生物利用多种磷化合物的策略演化。

随着地球环境的变化和生命多样性的增加，微生物逐渐演化出了利用多种磷化合物的策略。

正文

磷是生命的基本组成元素之一。 2024年5月2日自然通讯期刊 ( Nature Communications) 发表了最新文章，通过分析微生物利用磷元素相关基因的演化历史，揭示了地球早期磷循环的演变。研究发现，负责磷酸盐转运的基因早在古太古代就已出现，表明当时海洋磷酸盐浓度较高。而利用还原态磷的基因出现较晚，提示古太古代晚期磷酸盐浓度可能下降，微生物开始利用亚磷酸盐和膦酸盐等替代磷源。大氧化事件后，生命多样性增加，对磷的需求增长，进一步推动了微生物利用多种磷化合物的策略演化。该研究为理解地球早期生命演化和生物地球化学循环提供了新的见解。

磷是生命的基本组成部分之一，对生物分子的合成至关重要。然而，地球早期海洋中的磷浓度一直存在争议，地质学家们给出的估值从不足 0.1 微摩尔到高达 4100 微摩尔不等。此外，虽然亚磷酸盐等还原态磷化合物可能在生命起源过程中发挥了重要作用，但其在地球早期的生物可利用性仍不清楚。

图1 Enzymatic pathways for importing and catabolising reduced phosphorus molecules and phosphate.

为了解答这些疑问，研究人员利用基因组学方法，重建了地球生命演化树，并分析了其中与磷循环相关的基因的演化历史，为揭示地球早期磷循环的演变以及生命起源和早期演化提供了新的线索。他们发现，负责磷酸盐转运的基因（pnas）早在古太古代（约 36-32 亿年前）就已经出现，这与当时海洋中磷酸盐浓度高于现代水平（> 3 微摩尔）的推测相符。而负责在低磷酸盐环境（< 1 微摩尔）下进行磷酸盐转运的基因（pstS）则出现于中太古代或古太古代晚期，具体时间取决于不同的重建方法。此外，大多数负责代谢还原态磷化合物的酶促途径，如膦酸盐分解酶（CP-裂解酶）、亚磷酸盐氧化酶和次磷酸盐氧化酶等，都是在地球生命演化树的较晚阶段才出现并扩散开来的。

图2 Distribution of phosphorus-cycling genes in the Tree of Life.

在现代海洋中，CP-裂解酶基因的丰度与磷酸盐浓度呈负相关，即磷酸盐浓度越低，CP-裂解酶基因的丰度越高。结合基因组学和地球化学数据，研究人员推测，在古太古代早期，地球海洋中可能存在着局部富含磷酸盐的环境，而到了古太古代晚期，磷酸盐浓度可能出现了下降，这或许与带状铁层的沉积有关。带状铁层富含三价铁氧化物，可以有效地吸附磷酸盐，从而导致海水中的磷酸盐浓度降低。

图3 Estimated origin of phosphorus-cycling genes in the Tree of Life assuming relative event costs of 3:2:1:0 for transfer, duplication, loss, and speciation respectively.

研究人员还指出，在太古代，虽然许多微生物已经具备了利用磷酸盐的能力，但只有少数物种可以利用还原态磷化合物。直到新太古代-古元古代过渡时期（约 25 亿年前），随着地球大气氧含量的上升和大氧化事件的发生，生命多样性迅速增加，生物对磷的需求也随之增长。为了适应这种变化，越来越多的微生物演化出了利用亚磷酸盐和膦酸盐等还原态磷化合物的基因和酶促途径。

图4 Regression analyses of phosphorus-cycling genes in regions of the global ocean with varying phosphate concentrations.

这项研究首次利用基因组学方法揭示了地球早期磷循环的演化历史，为生命起源和早期演化提供了新的见解。它表明，在太古代，地球海洋中可能存在着磷酸盐浓度较高的局部环境，但整体上磷酸盐的生物可利用性可能较低。随着地球环境的不断变化和生命多样性的增加，微生物逐渐演化出了利用多种磷化合物的策略，从而适应了不断变化的地球环境。

图5 Estimates on the availability of orthophosphate based on genomic records.

未来，研究人员将继续深入研究还原态磷化合物的环境浓度变化，以及早期磷利用微生物的栖息环境，以更精确地了解地球早期磷循环的演化过程。

论文信息： Boden, J.S., Zhong, J., Anderson, R.E. et al. Timing the evolution of phosphorus-cycling enzymes through geological time using phylogenomics. Nat Commun 15 , 3703 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47914-0