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细菌与古细菌的最大可能“进化树”（族谱）示意图。图片来源：Christian Rinke et al. 2013
微生物是这个星球上最丰富多样的细胞生物。但大部分微生物都难以培养，关于它们的基因组数据很少。人们把进化树上未标注出的微生物形象地称为“微生物暗物质”。日前，美国科学家利用单细胞基因组学技术，对从未在实验室中被培养过的细菌与古细菌进行测序，获得了201种细菌与古细菌的基因组草图，大大拓宽了人类对“微生物暗物质”的认识。研究结果发表在7月14日的《自然》。
“细菌和古细菌的采样非常欠缺，很多关系仍不明朗，”文章的通讯作者、美国能源部联合基因组研究所（DOE Joint Genome Institute）的微生物学家塔尼亚·沃克（Tanja Woyke）在接受果壳网采访时表示：“我们开始系统地补充这些采样欠缺的微生物分支的资料，并利用高通量的单细胞基因组学技术来解释它们之间的关系。”
这些发现对系统发生学研究具有重要意义。“生命之树上代表细菌和古细菌的分枝就好比人类的族谱。举个例子，如果族谱上少了一些曾祖父母，家族的脉络就会变得残缺而模糊，要重构家族的关系与进化历程就变得相当艰巨。”塔尼亚向果壳网介绍道：“微生物在数十亿年前就已经出现。从热液喷口、盐滩到热泉，它们占据着广阔多样的生态系统。了解它们如何在如此多样、甚至极端的生境中适应、进化是很重要的。”
研究对来自9种不同生境的微生物样品进行了分析，鉴别出的“微生物暗物质”分别属于29个此前未知的微生物分支。利用这些基因组信息，研究者得以厘清许多微生物在门内与门间的关系，并提出了两个新的超门（Superphyla）。
此前，获取新微生物基因组数据的主要方法是宏基因组技术。这种技术通过直接提取环境样品中所有微生物的总DNA，研究该环境下的微生物多样性。这项研究中，研究者将高通量单细胞流式分选技术、全基因组扩增技术及SSU rRNA单扩增基因组筛选技术结合，构成SAG分析平台。参考研究获得的基因组信息，研究员对高达3.4亿个分类不够精细或分类错误的宏基因组序列信息进行了修正和调整，从而使生命之树的分支脉络变得更加清晰准确。
卡尔·乌斯（Carl Woese）于1977年提出三域系统，将生物分为细菌域、古菌域和真核域。这三个域（domain）是生命之树最初的三个分支。这次的研究发现，“不同域之间的边界并不像以往认为的那样严格分明。”塔尼亚告诉果壳网。
研究从“微生物暗物质”的基因组信息中发现了一些新的代谢特征：有2种细菌能够利用真菌的通路合成嘌呤；3种古细菌则能够编码完整的σ因子，这种蛋白是原核生物RNA聚合酶的一个亚基。此外，还有1种古细菌编码的氧化还原酶可能来源于生活在土壤中的变形虫（一种真核生物）。塔尼亚表示，“这些结果大大地出乎我们的意料。”
目前，单细胞基因组学技术的主要缺点在于覆盖率较低，即得到的测序信息并不能完全覆盖整个基因组。但一些实验室已致力于解决这一问题。塔尼亚对果壳网说：“我并不认为三年内会有既划算，精确度又高的宏基因组技术形成。在那样的技术问世之前，我预计单细胞基因组学技术将蓬勃发展，并成为微生物生态学和人体微生物组研究的一种标准手段。”
