海院科研动态（167）| 单细胞转录组学揭示土壤/底栖原生生物通过水平基因转移从原核生物获得多个功能基因

研究背景

      水平基因转移（LGT）是真核生物进化的重要驱动力，但在自由生活的异养型原生生物中，相关研究仍相对匮乏。研究团队以土壤优势纤毛虫烟台扭头虫（Metopus yantaiensis）为研究对象，首次构建了其单细胞转录组，并结合36个已发表组学数据集，对厌氧APM类群（Armophorea、Muranotrichea和Parablepharismea）进行了全基因组LGT筛选。

研究结果

      通过严格的系统发育分析及多维度验证（包括 polyA 尾检测、内含子鉴定、侧翼基因真核来源验证、框内终止密码子分析与 HFSP 评分），研究团队共鉴定出63个高置信度的原核/病毒来源LGT候选基因。这些基因在烟台扭头虫中均表现出显著表达水平（8–1232 FPKM），且7个关键基因已通过PCR和Sanger测序在单细胞基因组中得到验证。

图1 通过水平转移的多个功能基因在烟台扭头虫及APM纤毛虫类群中的功能、序列特征与表达水平

      研究发现了多项重要成果：

      一是揭示了复杂的有机物降解基因簇。 19个LGT基因参与多糖（半纤维素等）和氨基糖降解，形成相互关联的代谢通路，其多样性与完整性在已报道的原生生物 LGT 事件中极为罕见。其中，6个基因具有同工酶，4个基因存在多拷贝，暗示其在生态功能中的重要性。

      二是鉴定了多个真核生物中罕见的碳代谢新基因。本研究首次在真核生物中报道了 AMP 型乙酰辅酶 A 合成酶（acs）的水平转移，该基因可能通过帮助厌氧纤毛虫回收利用乙酸和苹果酸等发酵中间产物，从而减少碳源流失。此外，研究还发现了5拷贝的丙酮酸磷酸双激酶（ppdK）基因，可能通过提高糖酵解ATP生成效率来补偿厌氧代谢的低产能特性。

      三是发现了一个罕见的融合基因arcC-OTC。 该基因由氨基甲酸激酶和鸟氨酸氨甲酰转移酶融合而成，在生命全领域无显著同源序列，可能参与无机氮同化与碳氮稳态调节，类似于硅藻中的鸟氨酸-尿素循环功能。

      四是首次记录了CPR原核生物向真核生物的基因转移。 27个LGT基因可追溯至候选门辐射群（CPR）细菌或新分类的原核生物类群，这是首次有文献记载的从CPR转移到真核生物的LGT事件，揭示了"微生物暗物质"类群作为原生生物基因供体的新角色。

图2 水平基因转移基因在烟台扭头虫代谢通路中的作用示意图。（A）参与多糖降解、糖酵解和氮代谢的LGT基因；（B）参与碳代谢和能量生成的LGT基因

      功能注释显示，这63个LGT基因广泛参与营养利用（复杂有机物、碳代谢中间产物、无机元素）、能量代谢和抗逆响应（重金属、氧化应激），可能显著增强APM纤毛虫对厌氧土壤/沉积物环境的适应能力。

研究意义
       该研究不仅拓展了对原生生物进化动态的认识，也提示自由生活原生生物可能是此前被低估的生物地球化学过程参与者。

文章相关信息
       研究成果已在线发表于期刊《Marine Life Science & Technology》（中科院一区），第一作者张倩倩（中科院烟台海岸带研究所副研究员），合作者包括塞浦路斯尼科西亚大学 Eleni Gentekaki教授、西班牙高等科研理事会进化生物学研究所Michelle Leger博士等。中山大学龚骏教授为论文的唯一通讯作者。 

       该研究得到了国家自然科学基金（42176163、42376086、31970398）、中国科学院青年创新促进会等项目资助。

       Qianqian Zhang, Eleni Gentekaki, Michelle M. Leger, Songbao Zou, Gong-Ao-Te Zhang, Atef Omar, Yingjun Fu, Jun Gong* (2026) Single-cell transcriptomics reveals lateral transfers of multiple functional genes from prokaryotes to free-living ciliated protists in detrital food webs. Mar. Life Sci. Technol. 8: 352-370.
 

       原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42995-026-00382-5