刘沛余｜李金华等：微生物钙化相关基因在生命之树中的演化

 碳酸盐岩保存着地球漫长的环境演化记录，也是重要的碳储库。地表的碳酸盐很大比例由生物钙化形成，例如珊瑚、贝类等生物形成的坚硬骨骼和外壳。但早在这些生物广泛出现之前，微生物就已经参与碳酸盐矿物的形成。它们既能改变周围水体的化学条件，促使矿物在细胞外沉淀，也能在细胞内部形成碳酸盐颗粒。这些能力依赖哪些分子工具？相关基因如何在漫长的演化过程中被保留、改变，并传播到不同生命谱系？ 

 中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员团队联合上海交通大学、澳大利亚国立大学等单位的合作者，对覆盖14万余个细菌和古菌物种的基因组开展系统分析，追踪胞内钙化标志蛋白calcyanin、碳酸酐酶（carbonic anhydrase）和脲酶（urease）的演化历史。研究发现，这三类钙化相关基因具有显著不同的演化路径：calcyanin主要在产氧蓝细菌谱系内垂直遗传，碳酸酐酶和脲酶则呈现广泛基因横向迁移、基因复制与丢失交织的复杂历史。这项研究为理解微生物调节碳酸盐化学的分子基础，以及这些功能与地球表层环境的可能联系，提供了跨越生命谱系的演化视角。 

 一、从碳酸盐岩到细胞中的矿物 

 微生物形成碳酸盐矿物的方式并不单一。一种常见情形是，微生物代谢改变局部pH、碱度或无机碳组成，在适宜条件下促使碳酸钙沉淀。例如，脲酶分解尿素后产生氨，氨与水反应使环境趋于碱性；当周围存在足够的钙离子时，就可能促进细胞表面或附近的碳酸盐沉积。这类过程通常被称为微生物诱导矿化。 

 另一类现象发生在细胞内部。近年来的显微分析发现，蓝细菌、趋磁细菌和其他不同类群的细菌能够形成胞内碳酸盐包裹体，有些还富集钡等金属元素。这表明，细菌对碳酸盐形成的影响可以深入细胞内部，涉及离子运输、局部化学条件调节以及矿物形成位置的控制。 

胞外沉淀与胞内矿化可能依赖不同的分子机制，不能用一个基因解释所有微生物的钙化过程。已有实验研究将calcyanin与特定细菌的胞内钙化联系起来；碳酸酐酶和脲酶则具有更广泛的生理功能，只在适宜的生物学和地球化学条件下促进碳酸盐形成。因此，研究这些基因的分布，首先需要分清“携带相关功能”和“实际形成矿物”之间的关系。 

图1 微生物形成碳酸盐矿物的不同途径。图中概括了蓝细菌、产脲酶细菌及趋磁细菌等类群的代表性过程，包括细胞外沉淀与细胞内矿物形成。碳酸酐酶和脲酶能够改变无机碳化学或局部酸碱条件，但是否产生矿物还取决于细胞调控及环境条件

 二、 沿生命之树追踪三类钙化相关基因 

 研究团队以基因组分类数据库GTDB R226为基础，调查了143,614个物种，覆盖183个细菌门和21个古菌门，并纳入代表性真核生物的碳酸酐酶和脲酶序列进行比较。如此广泛的取样，使研究能够从不同门类之间的联系出发，考察这些基因的共同点与差异。 

 三类基因提供了不同的观察窗口。由ccyA编码的calcyanin，是已获得实验支持的胞内钙化相关标志蛋白；碳酸酐酶催化二氧化碳与碳酸氢根之间的可逆转化，参与无机碳获取和细胞pH稳态；脲酶则分解尿素，在提供氮源的同时产生可促进局部碱化的氨。它们与碳酸盐形成的关联程度和作用环节并不相同。 

 团队将大规模同源序列检索、功能复核、分层抽样、系统发育分析与蛋白质三维结构比较相结合。对于序列数量庞大的基因家族，分层抽样兼顾了物种丰富和物种稀少的门类，减少少数类群占据数据集主体所带来的偏差。 

 研究还比较了基因树与宿主基因组树：前者反映某个基因的演化关系，后者提供宿主谱系的参照。如果二者大体一致，通常支持垂直遗传；如果一个基因与远缘类群中的同源物聚在一起，则提示可能存在水平转移。团队进一步结合基因复制与丢失分析，避免将所有树形差异都简单归因于基因转移。 

 三、 calcyanin保留了蓝细菌谱系内的传承线索 

 在本次数据库与检索阈值下，团队在蓝细菌门的52个物种中识别出calcyanin同源蛋白。这些物种分布于产氧蓝细菌纲的7个科，其蛋白序列也大体形成与科级分类对应的分支。 

 将calcyanin基因树与对应的基因组树比较后发现，52条同源序列中的47条，约占90.4%，呈现与垂直遗传相符的系统发育格局。这意味着，calcyanin可能在产氧蓝细菌的共同祖先中就已出现，并随谱系分化传递至后代。另有5条序列与其他科的序列聚类，提示其历史中也可能包含水平基因转移。 

 这一结果为追踪蓝细菌胞内钙化相关功能提供了线索。不过，基因树并未给出这一功能起源的精确年代，也不能据此认定所有携带同源基因的物种都具有相同的矿化表现。 

 在蓝细菌门之外，本次调查没有检出达到高序列覆盖度阈值的calcyanin同源物。这一结果受数据库覆盖和筛选条件约束，并不排除其他类群中存在更远缘的相关蛋白。结合已有显微观察，更值得继续追问的是：那些缺少ccyA、却能形成胞内碳酸盐的细菌，究竟使用了怎样的分子系统？碳酸酐酶等参与无机碳调节的蛋白，为后续研究提供了候选方向。 

 四、 碳酸酐酶展现功能趋同与跨谱系传播 

 与calcyanin相对集中的分布不同，碳酸酐酶广泛存在于生命之树中。研究检出碳酸酐酶基因的物种约占所调查细菌的73.3%、古菌的44%，分别涉及159个细菌门和19个古菌门。这种广泛分布与其在无机碳利用、碳浓缩和pH调节中的基础作用相一致。 

 碳酸酐酶具有多种蛋白类别。不同类别能够催化相同的化学反应，却可能具有差异很大的氨基酸序列和空间结构。研究对α、β、γ三类碳酸酐酶分别构树，发现许多分支包含来自不同门的序列；基因树与宿主基因组树也存在明显不一致。结合复制和丢失分析，这些结果支持跨门水平转移参与了相关基因的传播与分化。 

 团队还发现，部分古菌及真核生物的碳酸酐酶与细菌同源物形成近邻分支，一些代表蛋白的核心结构高度相似。这些关系与可能的跨域基因获取相容，但古老基因复制、不同谱系的基因丢失和取样不足等，也可能造成类似格局。因此，具体转移的方向和时间仍需更多证据厘清。 

 这项研究同时展示了蛋白质结构在检验演化推断中的价值。团队尝试将8类碳酸酐酶合并构树时，发现某些不同类别的序列被排成近邻。然而，这些序列缺乏有意义的序列相似性，预测结构也明显不同。这样的“近亲关系”更可能来自系统发育重建的技术假象。 

序列与结构的综合证据支持α、β、γ三类碳酸酐酶具有独立起源，随后各自在不同谱系中传播和分化。这一发现也提示，研究古老酶家族时，应先确认序列是否具备可靠的可比性，再讨论树上的远近关系。 

图2 碳酸酐酶的广泛分布及演化关系。柱状图和拷贝数分布展示相关基因在细菌、古菌中的分布；系统发育树与结构比较呈现不同类群同源物之间的联系。跨门序列混合支持复杂的传播历史，跨域近邻关系则仍需结合其他证据检验

 五、 脲酶连接氮源利用与局部碱化 

 脲酶为理解微生物钙化提供了另一条线索。它将尿素水解为氨和二氧化碳，随后发生的化学反应能够提高局部pH，为碳酸盐沉淀创造条件。对微生物而言，这一过程首先与尿素利用和生理调节有关；其矿化效应还需要合适的离子供给和环境化学条件。 

 研究以相对保守的脲酶α亚基为标志开展调查，在约19.8%的细菌物种和6.7%的古菌物种中检出相关基因，覆盖51个细菌门和3个古菌门。其中，假单胞菌门和蓝细菌门尤为富集。大部分物种只具有一个相关基因拷贝，部分谱系则发生了拷贝扩增。 

 对2,246条代表序列的分析得到27个主要分支。除少数古菌分支外，许多分支同时包含假单胞菌门和其他细菌门的序列；不同分支间的脲酶α亚基结构又高度保守。结合基因树与基因组树的差异，团队提出，脲酶可能起源于假单胞菌门或蓝细菌门的祖先谱系。跨门水平转移可能是脲酶传播的重要途径，假单胞菌门可能在这一过程中发挥了重要作用。 

 在更广的生命谱系中，植物和真菌脲酶位于一个以细菌序列为主的分支内，其蛋白结构中的不同模块与细菌脲酶亚基具有对应关系。这与细菌可能参与植物和真菌脲酶祖先形成的情景相容，但尚不足以确定一次具体的转移事件，也未排除古老共同祖先与后续基因丢失等解释。 

 此外，已通过实验鉴定的酸性脲酶分布于两个不同的演化分支，提示耐酸性可能不止一次出现。这一推断仍需测定邻近同源蛋白的适宜pH范围来检验。由此可见，保守的催化结构可以在不同宿主和环境背景中被持续利用，而具体生理特征仍可能发生分化。 

图3 脲酶的分布、系统发育关系与结构特征。相关基因在假单胞菌门和蓝细菌门中较为富集，多个分支包含不同门的同源序列。植物、真菌与细菌脲酶之间的谱系和结构联系，为探索它们的演化关系提供了线索

 六、 将基因演化放回地球环境的长期变化中 

 这些基因的演化为何值得放到地质时间尺度上讨论？因为它们参与的无机碳转化、氮源利用和酸碱调节，可能同时影响微生物生存与周围矿物的形成。早期地球较高的大气二氧化碳水平及相应的海洋化学条件，为探索这种联系提供了背景。 

 研究提出，在部分早期环境中，尿素水解可能在供给氮源的同时促进局部碱化，碳酸酐酶则可能帮助细胞调节无机碳获取与pH稳态。只要离子供给、碱度和细胞调控等条件适合，这些原本服务于生理需求的过程，就可能伴随碳酸盐矿物形成。相关功能的遗传与传播，也可能扩大具有这类化学调节潜力的微生物范围。 

 论文进一步将演化模型与已有大气二氧化碳估计、碳酸盐沉积记录及主要微生物类群的起源时间并置，讨论从太古宙以来微生物活动与地球表层环境之间可能存在的联系。这里的时间信息来自既有地质证据与演化研究，不能直接作为本次所分析基因的起源年代。 

这些对应关系提供了可检验的地球生物学假说，尚不能证明某类基因的传播直接驱动了大气二氧化碳下降或全球碳酸盐积累。局部形成矿物是否转化为长期碳埋藏，还取决于矿物保存、溶解及后续地球化学过程。基因组证据的价值，在于为这些宏观问题提供可以继续检验的分子线索。 

图4 碳酸酐酶、脲酶的演化模型及地球环境背景。上部展示研究提出的基因起源与传播情景，其中跨域及细菌到真核生物的转移仍属于候选解释；下部汇集大气二氧化碳、北美海相沉积物碳酸盐丰度及重要地球事件的既有记录。这些时间对应关系用于提出假说，不代表已证实因果联系

 七、 从基因线索走向矿化机制 

 这项研究揭示，微生物钙化相关功能并没有一条统一的演化路径。与特定胞内矿化过程联系较紧密的calcyanin，保留了产氧蓝细菌谱系内的传承线索；功能更广的碳酸酐酶和脲酶，则在复杂的复制、丢失与水平传播过程中进入不同宿主。将三者放在一起理解和分析，有助于理解矿化相关功能如何与微生物的日常代谢相联系。 

 未来研究的关键，是把基因分布与矿物形成直接连接起来。对已确认能够钙化的微生物，可以结合蛋白质定位、基因邻域比较、基因操作与矿物表征，寻找协同工作的多基因模块。对于缺少典型ccyA的胞内钙化类群，则需要继续识别离子运输、成核及矿物空间定位所依赖的调控系统。 

 与此同时，培养和地球化学实验可以检验不同pH、无机碳与钙离子条件下，候选基因的表达如何影响实际矿化过程。更密集的谱系取样和基因组背景分析，则有助于进一步厘清跨域获取的方向与机制。 

 从细胞内外的一颗碳酸盐颗粒，到生命之树中反复传承和交换的功能基因，再到地质记录中的碳循环变化，这项工作建立了彼此联系的研究线索。它为追踪微生物调节碳酸盐化学的演化历史提供了框架，也为进一步检验微生物生理、矿物形成与地球环境之间的联系明确了方向。