当前位置：首页 > news >正文

一区10+！线粒体基因组+宏基因组，微生态研究跨界新组合

news 来源：原创 2025/7/7 0:26:03

在自然界中，微生物与宿主之间的共生关系是生物多样性和生态系统功能的重要组成部分。这些相互作用不仅塑造了宿主的进化历程，而且对宿主的生存和适应性至关重要。然而，这些共生关系的进化动态和共生菌基因组的演变仍然是微生物生态学和进化生物学中的一个谜。

威斯康星大学Jason Kwan团队发表在《ISME》上的“Repeated horizontal acquisition of lagriamide-producing symbionts in Lagriinae beetles”一文，创新型地通过宏基因组binning结合线粒体基因组的测序分析，揭示了Lagriinae甲虫与其共生菌共生菌伯克霍尔德氏菌之间复杂的共同进化历史，并且提供了关于共生菌如何通过水平基因转移获得关键功能基因的相关见解。

期刊：ISME

影响因子：10.8

发表时间：2024.10

样本类型：甲虫

实验设计

图1 研究流程

三、实验结果

1、甲虫系统发育分析

通过甲虫宏基因组binning和线粒体基因组数据构建了甲虫的系统发育树。分析结果表明所有收集的Lagria甲虫线粒体基因组被分为四个明显的亚支，揭示了Lagriinae亚科内不同物种之间的亲缘关系和进化历史，并支持了Tenebrionidae科内多个亚科的单系性。

图1 甲虫线粒体基因组系统发育分析

2、生物合成基因簇的鉴定

使用 antiSMASH v7分析样本中的lga生物合成基因簇（BGC），结果表明，大部分物种中lga BGC在结构上高度保守，但在某些物种中观察到lgaC基因的分裂以及可能的非功能性额外酶结构域的存在（图2 A）。此外，在部分样本中的lgaB中存在额外的“DHt”结构域以及在L. grenieri及L. okinawana样本中的lgaC附近存在额外载体蛋白结构域，这些变异反映了lga BGC在不同物种中的适应性演化（图2 B）。

图2代表性lga BGC分析

3、携带lga的LvStB共生体的完整基因组

共生体LvStB_2023完整基因组的可视化揭示了该基因组由两个圆形染色体和一个质粒组成，其中lga BGC位于第二染色体上，并且基因组显示出高度的基因组退化特征，包括大量的假基因。基因组中各种功能类别的基因分布情况显示，第一染色体包含了大多数核心基因，而第二染色体和质粒则含有较少的核心基因，证实了第一染色体作为主要染色体，以及第二染色体和质粒在特定功能上的重要性。

图3 LvStB_2023基因组特征

4、伯克霍尔德氏菌共生体的多样性

使用 RAxML基于126个单拷贝直系同源基因（HOGs）构建了伯克霍尔德氏共生菌与其他伯克霍尔德氏菌种的系统发育树，结果显示lga BGC的共生菌并没有形成一个单系群，而是与游离伯克霍尔德氏菌株混合在一起。在MAGs中去除了所有假基因后，对不同的伯克霍尔德氏菌株之间共享HOGs进行了分析。结果显示，游离伯克霍尔德氏菌物种之间的直系同源基因组（orthogroups）的保守性更高（图4）。

图4 伯克霍尔德氏共生菌系统发育树

5、lga BGC的起源与传播途径

构建了一个概念模型详细阐述了Burkholderia属共生菌与Lagriinae甲虫之间的进化关系，结果展示了lga BGC在共生菌共同祖先中的单一获取事件，以及随后在游离的亲缘物种中丢失的情况。该模型揭示了至少四次独立的水平基因转移事件，其中不同的甲虫宿主分别获取了携带lga BGC的伯克霍尔德氏共生菌，导致了这些共生菌在不同甲虫物种中的分布。

图5 甲虫与共生菌的独立获取事件模型

6、甲虫-共生菌共生关系的系统发育不一致性

对Lagriinae甲虫与伯克霍尔德氏菌之间的系统发育关系和lga BGC的进化动态进行分析。结果表面携带伯克霍尔德氏菌的lga BGC共生体的系统发育与甲虫系统发育不完全一致（图6 A）。对所有样本中代表性lga BGC进行系统发育分析，使用 GTRCAT-V 和 GTRGAMMAI 模型得出两种可能的拓扑结构。这两种拓扑结构都包括保守的进化枝，但这三个进化枝的相对位置并不确定（图6 B）。

图6 宿主、共生菌和lga BGC的系统发育比较

四、研究结论

本研究通过宏基因组binning结合线粒体基因组测序分析，揭示了Lagriinae甲虫与其共生菌伯克霍尔德氏菌之间的独立的水平基因转移事件，并强调了宿主特异性和防御性化合物lagriamide在建立和维持这些共生关系中的关键作用，指出了这种共生关系在生态和进化上具有动态性，以及宿主转换和共生菌替代。

凌恩拥有丰富的宏基因组和线粒体基因组项目经验，致力于打造专业、完善、深入的多组学研究流程，助力您的科研之旅一路畅通！想要get文章同款研究的小伙伴，速速call我们吧！

参考文献

Uppal S, Waterworth SC, Nick A, Vogel H, Flórez LV, Kaltenpoth M, Kwan JC. Repeated horizontal acquisition of lagriamide-producing symbionts in Lagriinae beetles. bioRxiv. 2024 Jul 9:2024.01.23.576914.

相关文章：