微生物是地球冰冻圈中最主要的生物类群，是冰冻圈生物地球化学循环重要驱动者。确定能在寒冷环境中生长的嗜冷细菌基因组特征是有效揭示其适应低温环境的生理生态机制的关键。然而，受限于无法有效定义极地和山地环境特有类群，确定嗜冷菌的主要基因组特征仍具挑战。

兰州大学泛第三极环境中心刘勇勤教授及其在中科院青藏高原所博士后沈亮与澳大利亚新南威尔士大学Ricardo Cavicchioli教授合作，对包括来自青藏高原冰川和湖泊菌株在内的共106个Arthrobacter基因组及其全球分布规律进行了研究。发现青藏高原、南北极和阿尔卑斯山等低温环境的31个菌株分布在Arthrobacter系统发育树的不同位置。利用基因组数据信息结合生理学实验发现一个代表了极地和山地环境单系类群的新分枝，定义为极地和山地环境特有类群Group C (图 1)，其余的来自极地和山地环境菌株归为广布类群Group B。在环境温度为-1ºC时，相比于非极地或山地类群（Group A)，单系类群Group C 表现出显著的生长优势、更低的全基因组蛋白质热稳定性且具备硫代谢和分枝硫醇合成等特有的代谢途径。随后对近1000个宏基因组数据集分析了三组菌株所代表的基因型在全球的分布规律。发现Group C在北极Axel Heiberg Island永久冻土中显著富集，表明极地和山地类群对冻土生境的偏好(图 2a)；Group A则在所有的极地和山地宏基因组样品中表现出相反的趋势(图 2b)，这预示着升温会导致极地和山地单系类群逐渐被替代的趋势。另一方面，广布类群Group B在不同气候带的宏基因组样品中分布没有显著差异。这项究表明，定义一个极地和山地环境特有类群的基因组特征，并将其作为指示气候变化的指标是有可能的。

近日，该研究成果近期以“Linking genomic and physiological characteristics of psychrophilic Arthrobacter to metagenomic data to explain global environmental distribution”为题发表于微生物组学期刊Microbiome（IF =11.67）杂志上，得到了国家自然科学基金(91851207, 41701085), 第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0503)和中国科学院战略重点研究计划(XDA20050101)等基金的资助。

文章链接：

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-021-01084-z

图 1 利用基因组数据中的多种信息结合生理学实验，发现一个新的分枝，代表了极地和山地环境单系类群(F measure = 0.95)，定义为极地和山地环境特有类群Group C.

图 2. 冰川境特有类群在不同气候环境中的分布规律验证了温度升高会导致冰川环境特有类群比例降低, 预示着特有类群将会被广布类群取代. (a)极地和高山环境特有类群Group C在极地/山地环境宏基因组中比例(蓝色拟合线)显著高于其在温带和热带等非极地环境中的比例(红色拟合线)； (b)对照基因组Group A(高温环境类群)显示出了相反的趋势.