厌氧消化是一种重要的工程生物技术，对有机废物的资源回收和可再生能源的生产起着关键作用。然而，由于对未培养的厌氧菌及其适应环境变化的能力了解有限，这限制了该技术的优化和生物气生产的可持续性。今天小编带大家看一篇发表在《Microbiome》上的文章，研究通过结合三代宏基因组和宏转录组，揭示了厌氧消化过程中碳矿化流的质量控制机制，并发现了一些关键活性厌氧菌群落及其代谢功能。
研究背景
厌氧消化涉及多个微生物群体，它们共同将有机物转化为甲烷和二氧化碳，对自然生态系统和工程生物反应器中的厌氧碳通量起着至关重要的作用。近年来，长读长测序能够在多样化的环境中获得完整的宏基因组组装基因组（MAGs）。基于高质量的MAGs，结合宏转录组数据可以进行代谢模型的重建。
实验设计
主要结果
1、二三代混合组装可提高宏基因组组装基因组的质量
混合组装显著提高了组装质量，获得了132个高质量基因组，远多于只用NGS的3个高质量基因组。总的来说，混合组装在提高MAGs基因组质量方面发挥着关键作用，这将大大有助于捕获NGS数据组装中遗漏的遗传信息，从而促进对完整代谢过程的探索。
图1 长读长测序提高了宏基因组的组装，并恢复了产甲烷群落中隐藏的遗传信息
2、高质量的MAGs代表了大部分产甲烷群落
对获得的MAGs质量进行评估发现完整度≥90%的MAGs有197个，其中132个为高质量基因组，20个基因组接近完整。系统发育分析揭示了基因组的广泛分类多样性，包括四个古菌（15个MAGs）和23个细菌门。研究发现，有87个(44.16%)与GTDB中的任何参考物种基因组都不匹配，这意味着它们属于物种水平或更高分类群的未知种群。
图2 基因组系统发育树显示了细菌谱系的多样性，丰度和基因组质量
3、氧菌群落的宏转录组学和代谢重建
约80%的宏转录组reads比对到组装的MAGs，说明它们对厌氧菌群落中的活跃种群具有较好的代表性。在不同有机负荷条件下，观察到细菌和古菌类群之间的转录表达动态变化，表明基因表达动态模式与有机负荷浓度的关系。然后研究进行了代谢重建，连接了每个厌氧谱系与其碳代谢能力，揭示了整个厌氧微生物群落的多样化代谢潜能。
图3 代谢途径和功能系统的分布
4、厌氧微生物群的碳水化合物代谢
厌氧微生物群表达了一组广泛的碳水化合物降解酶。在分类学上，拟杆菌门的成员占主导地位，转录组分析显示，拟杆菌门中CAZymes最活跃的种群为三个未培养的家族谱系。基于转录组学的代谢重建揭示了它们对双糖(乳糖和蔗糖)、单糖(木糖)和中心碳代谢的利用相似性。然而，基因组内的主要通路活性表明了这些群体之间的功能特异性差异。具有相似代谢的细菌表现出对底物的偏好。此外，这些活跃的类群利用不同的糖转运来创造特定的功能生态位。
图4 跨有机负荷梯度从（多）单体到 CH4和 CO2的碳通量
5、微生物群的蛋白质水解和氨基酸降解
研究表明蛋白质及水解氨基酸(AAs)是厌氧食物网中的主要有机碳源之一。与此一致的是，研究观察到微生物群落成员转录表达广泛的肽酶，这些肽酶参与肽键的分解，其中一些预测是在细胞外。研究揭示了在AA降解方面的2个新物种bin.479和bin.61，并提示最近研究报道的VadinHA17家族的代谢多样性和多样性仍有待研究，特别是在蛋白水解活性和AA清除功能方面。
6、降解长链脂肪酸的新型细菌
随着有机负荷的增加，在LCFA通路中观察到的转录水平的显著增加(图4)，表明在这个厌氧微生物群中存在潜在的LCFA降解者。研究一共鉴定了64个MAGs作为潜在的LCFA降解者，包括Desulfobacterota, Pseudomonadota (以前称Proteobacteria), and Bacillota (以前称Firmicutes)的成员。其中的3个被确定为关键的活性LCFA降解者，携带和/或转录表达编码蛋白质FadL的基因，将脂肪酸转运到细菌细胞质中。
图5 新型互养的脂肪酸氧化菌的代谢重建及其与产甲烷菌的相互作用
7、厌氧微生物群的短链脂肪酸合养降解
相对于基质中的高浓度 SCFAs，污水中 SCFAs 的不积累意味着合成 SCFA 氧化对基质转化的重要贡献。尽管底物中含有大量的乙酸盐，而且在LCFA分解过程中会产生乙酸盐，但该反应器中的乙酸盐转化主要是由醋酸产甲烷菌驱动的。进一步的基因组特征和关键基因转录活性的比较分析揭示了这些合成丙酸氧化细菌（SPOB） 在 MMC 通路中能量依赖性过程中的独特机制和特定酶。
8、产甲烷作用中的古菌竞赛
古菌甲烷代谢作为厌氧代谢网络的末端步骤，在厌氧碳转化和自然甲烷通量中起着至关重要的作用。产甲烷代谢通路重建结果显示，6个古细菌MAGs编码的氢营养和醋酸产甲烷基因，涵盖了3个产甲烷途径的所有基因。特定的遗传模式和环境决定因素促进了厌氧群落的生态位专业化和生态优势，增强了对细菌和古菌谱系环境适应的理解。
图6 古菌群落和MAG中产甲烷途径的转录表达和重建
研究意义
本研究通过结合长读长测序和宏转录组指导的代谢重建，揭示了厌氧消化过程中关键功能细菌的代谢机制，为理解碳转化提供了基础数据，并为优化厌氧废物处理策略和解决气候变化问题提供了见解。研究还强调了宏转录组学在识别未培养物种生态功能和原位代谢活动中的重要性。
参考文献
Yan, W., Wang, D., Wang, Y. et al. Metatranscriptomics-guided genome-scale metabolic reconstruction reveals the carbon flux and trophic interaction in methanogenic communities. Microbiome 12, 121 (2024).
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