鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）的系统生物学：分类、基因组与生态功能

引言

鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）隶属于，变形菌门（Proteobacteria）、α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、鞘氨醇单胞菌目（Sphingomonadales）、鞘氨醇单胞菌科（Sphingomonadaceae）。

目前该属已有 127 个有效发表的物种，不过随着分类学研究的深入，原先归入此属的约19个种已被重新划分至其他属，如 Sphingopyxis、Novosphingobium、Sphingobium、Blastomonas 和 Rhizorhapis 等。

这类细菌为革兰氏阴性菌，细胞形态多为直杆状、稍弯曲或卵圆形。部分种类能形成独特的“玫瑰花结”状聚集体——这是由其极生纤毛引起的典型特征。

它们不产生芽孢，主要通过二分裂、出芽或不对称分裂进行繁殖。

在运动能力上，有的种类完全不运动，有的则依靠极生鞭毛实现游动，并具备滑行能力。

大多数为严格好氧菌，少数可在微氧环境中生存。多数种类能水解七叶苷（esculin），但也有例外。

菌落颜色丰富多样，从黄色、橙色、红色到白色甚至无色皆有。不同种的过氧化氢酶和氧化酶反应结果也不尽相同。

细胞膜的脂多糖（LPS）被鞘脂类物质所取代，这也是该属得名的原因。

细胞中含有特征性的糖鞘脂，如葡糖醛酰基-(1→1)-神经酰胺（SGL-1）以及多种半乳糖醛酰基神经酰胺，并富含2-羟基肉豆蔻酸，但不含3-羟基脂肪酸。

主要脂肪酸包括 C18:1、C16:0 和 C17:1，而2-羟基脂肪酸则以 C14:0 2-OH 和 C15:0 2-OH 为主。

在呼吸链中，泛醌 Q-10 占主导地位，辅以少量 Q-9 和 Q-8；多胺成分则以高精脒（homospermidine）及其对称异构体为主。

16S rRNA 序列在多个位点（如 134、593、987:1218 等）具有高度保守的特征，是分子鉴定的重要依据。

尽管大多数 Sphingomonas 是环境中的自由生活菌，广泛存在于土壤、水体乃至人工系统（如医院、工业设备）中。

但少数种类，却是机会性病原体，曾在重症监护病房引发脑膜炎、腹膜炎、败血症及新生儿感染。

目前尚无明确证据，表明其对动物具有致病性。

该属细菌的基因组 G+C 含量较高，范围为 60.7–72.2 mol%。

模式种为少动鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas paucimobilis），菌株 VL34，最初于1977年被描述为 Pseudomonas paucimobilis，后经重新分类确立为本属代表。

细胞形态与超微结构

作为鞘氨醇单胞菌科（Sphingomonadaceae）中物种最丰富的属，Sphingomonas 目前包含 127 个有效发表的物种，其细胞大小差异显著。

例如，大清鞘氨醇单胞菌（S. daechungensis）的细胞尺寸仅为 0.1–0.2 × 0.6–0.8 微米，而异源鞘氨醇单胞菌（S. xenophaga）则可达 0.7–1.2 × 1.3–4.0 微米。

革兰氏染色显示，大多数物种的模式菌株呈，直杆状或稍弯曲的杆菌，两端圆钝；但棘皮鞘氨醇单胞菌（S. echinoides）是个例外——其细胞末端尖锐（Stolz 等，2000）。

电子显微镜观察发现，游动鞘氨醇单胞菌（S. natatoria）和熊源鞘氨醇单胞菌（S. ursincola）通过出芽方式繁殖，不过这一现象在普通革兰氏染色的光学显微照片中尚未被观察到。

此外，玫瑰花结样排列（rosette-like arrangement）已在多个物种中被报道，包括模式种少动鞘氨醇单胞菌（S. paucimobilis，Yabuuchi 等，1990）、S. natatoria（原名 Blastomonas natatoria，Sly，1985）以及 S. echinoides。早在1964年，Heumann 与 Marx 就曾通过电镜图像详细描述并展示了这种“星形”或“花簇状”聚集现象。

其他有趣的结构：

例如，虾青素鞘氨醇单胞菌（S. astaxanthinifaciens）可形成网状结构；而泉生鞘氨醇单胞菌（S. fonticola）不仅细胞外包裹着大型荚膜，还能积累聚-β-羟基丁酸（PHB）作为储能物质（Sheu 等，2015）。

菌落与培养特性

在常用的 R2A琼脂培养基上，Sphingomonas 属细菌通常形成，不透明、圆形、凸起、光滑且有光泽的菌落，边缘整齐。

在 25–28°C 最适温度下培养 2–7 天，菌落直径一般为 0.5–2.0 毫米。

不过也有例外：橙色鞘氨醇单胞菌（S. arantia）在 25°C 下仅需 3–4 天即可长出 3–4 毫米的大菌落（Jia 等，2015）。

菌落颜色以黄色最为常见，但也因种而异，部分物种可呈现橙色、红色、乳白色、无色甚至半透明。

在运动性方面，该属多数成员依靠极生鞭毛游动，少数种类（如某些新近分离株）则表现出滑行运动能力（Lee 等，2016, 2017b）。

绝大多数 Sphingomonas 在固体和液体培养基中均能良好生长，但有两个特例：

难养鞘氨醇单胞菌（S. difficilis）和迟缓鞘氨醇单胞菌（S. lenta）无法在液体培养基中增殖（Feng 等，2017a, 2019），显示出独特的生理适应性。

营养需求与生长条件

鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）的成员在实验室中易于培养，可在多种常用培养基上生长。

大多数物种能在，胰蛋白胨大豆琼脂（TSA）、营养琼脂（NA）、R2A 琼脂、海洋琼脂（MA，2216E）、察氏-多克斯琼脂（Czapek-Dox Agar）、蛋白胨-酵母提取物-琥珀酸钠培养基（PYES）、LB 培养基，以及 CasMM 培养基上良好生长。

通常不能在麦康凯琼脂（MacConkey Agar）上生长（Busse 等，2003；Kim 等，2007；Siddiqi 等，2017；Wübbeler 等，2017）。

尽管多数种类在 LB、TSA 和 MA 等富营养培养基上生长旺盛，也有少数物种无法有效利用这些介质。

例如，原归类于 Sphingomonas alaskensis、后被重新划入 Sphingopyxis 属的 阿拉斯加鞘脂单胞菌（Sphingopyxis alaskensis），在低有机碳培养基中仍能生长，但其细胞体积会明显小于在高营养培养基（如 Marine Agar 2216 或 LB）中的状态。

环境耐受范围

大多数 Sphingomonas 物种的最适生长 pH 为 6.0–7.0，可在 pH 5.5–9.0 范围内生长；最适温度为 25–28°C，整体耐受范围为 15–35°C。

不过，某些物种展现出惊人的环境适应力：

• 天南星鞘氨醇单胞菌（S. aracearum）的 pH 耐受范围最广，可在 pH 4–10 之间生长，最适 pH 为 7；

• 鱼塘鞘氨醇单胞菌（S. piscinae）能在 4–41°C 的宽温域中存活；

• 阿拉斯加鞘脂单胞菌（Sphingopyxis alaskensis，曾用名 S. alaskensis）甚至可在 4–48°C 下生长。

当然，并非所有成员都如此“全能”——部分物种对低温（4°C）或中等高温（37–45°C）较为敏感，生长受限（详见表1）。

特别值得一提的是 冰川鞘氨醇单胞菌（S. glacialis），它专属于寒冷环境，最适生长温度为 1–25°C，在 30°C 时仅能微弱生长。

表 1. 已有效发表的 Sphingomonas 属物种（共 127 种）的一般特征，包括形态学、生化及生理特性（同时纳入已重新分类至邻近属的原 Sphingomonas 物种以供比较）

符号说明：−，阴性反应；+，阳性反应；nd，无可用数据；NG，无生长；Ov，卵圆形；w，弱同化。

盐度耐受与代谢多样性

绝大多数 Sphingomonas 物种，在无 NaCl 条件下生长最佳，但可耐受最高达 3%（w/v）。

而 红色鞘氨醇单胞菌（S. rubra）则是个“嗜盐高手”，能轻松耐受高达 8%（w/v）（Huo 等，2011）。

此外，该属细菌具有极强的代谢灵活性，能够利用和同化种类繁多的有机化合物作为碳源和能源。

从简单糖类、有机酸到复杂芳香族污染物（如多环芳烃、农药等），展现了其在生物修复和环境工程中的巨大潜力（详见表1和表2）。

表2. 不同底物被鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas spp.）模式菌株同化的结果（共127株鞘氨醇单胞菌属菌株；为便于比较，亦包括已重新分类至邻近属的其他原鞘氨醇单胞菌属物种）。

符号说明：−，无同化；+，阳性反应；nd，无可用数据；w，弱同化。

化学分类特征

细胞脂肪酸组成

鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）最显著的脂质特征：十八碳一烯酸（C18:1）为其总提取脂质中的主要脂肪酸。

此外，该属及整个鞘氨醇单胞菌科（Sphingomonadaceae）成员普遍含有不同链长（C14–C16），而完全不含3-羟基脂肪酸——这是该科的重要化学分类标志。

不过也有例外：厌氧菌 Zymomonas mobilis 以及近年新描述的 农田鞘氨醇单胞菌（S. agri HKS-06T）被发现含有3-羟基脂肪酸。

其中，S. agri 的主要脂肪酸为 C18:0 3-OH（占66.2%），并含有少量 C16:0 3-OH（4.6%）（Yabuuchi & Kosako, 2005；Siddiqi 等, 2017）。

除 C18:1 外，棕榈酸（C16:0）也是该属常见的主要饱和脂肪酸。

在非极性脂肪酸中，C18:1 ω6c/ω7c 和/或 C18:1 ω9t/ω12t（常统称为“汇总特征7/8”）广泛存在，其含量在不同物种间差异极大。

例如在 S. taejonensis JSS54T 中仅占6%，而在 S. trueperi NCIMB9391T 中高达77%。

值得注意的是，这一特征在 黄鞘氨醇单胞菌（S. flava THG-MM5T）和 寡酚鞘氨醇单胞菌（S. oligophenolica S213T）中完全未检出，取而代之的是 C16:1 ω7c/ω6c（27%）和 C18:1（56%）作为主要脂肪酸（Du 等, 2015a；Ohta 等, 2004）。

C16:1 ω7c/ω6c 是第二大常见非极性脂肪酸，含量范围为 <0.5% 至 48.1%，但在10个物种中未被检测到。

C16:0 作为主要饱和脂肪酸，在 S. terrae E-1-AT 和 S. carri PR0302T 中分别占总脂肪酸的2%和40.1%，仅在 冰川鞘氨醇单胞菌（S. glacialis C16yT）中未检出。

2-羟基十四酸（C14:0 2-OH）是主要的羟基脂肪酸，在 S. astaxanthinifaciens TDMA-17T 和 S. indica Dd16T 中含量分别为 <0.53% 和 3.2%，但在7个物种中完全缺失。

呼吸醌、极性脂与多胺

• 泛醌 Q-10 是主要的呼吸醌，部分物种中还检出少量 Q-9 和 Q-8。

• 细胞壁中不含典型脂多糖（LPS），而是由糖鞘脂（SGLs）替代——这是该属的核心特征之一。

• 极性脂谱以磷脂酰甘油（PG）为主，同时普遍含有中至高量的：

o 磷脂酰乙醇胺（PE）

o 双磷脂酰甘油（DPG）

o 磷脂酰二甲基乙醇胺（PDE）

o 磷脂酰胆碱（PC） 此外，还检测到不同含量的磷脂酰单甲基乙醇胺（PME）及若干未鉴定极性脂。

• 对称-高精脒（sym-homospermidine, HSPD）是主要的多胺成分，被视为该属的标志性化学特征。

其他检出的多胺包括：精脒（spermidine）、精胺（spermine）、腐胺（putrescine）、尸胺（cadaverine）、1,3-二氨基丙烷和胍丁胺（agmatine）。

基因组特征

在目前已有效发表的 127 个 Sphingomonas 物种中，已有 81 个物种的基因组数据收录于美国国家生物技术信息中心（NCBI GenBank），另有 13 个模式菌株基因组由美国联合基因组研究所（JGI）通过“千种细菌基因组计划”（KMG）完成测序。

• 在已公布的 18 个完整基因组中，均呈现多复制子结构，包含 1–4 个质粒（见表3）。

• 基因组大小差异显著：中温鞘氨醇单胞菌（S. mesophila）最小，为 2,291,351 bp（编码2,343个蛋白）；而 福尔摩沙鞘氨醇单胞菌（S. formosensis）最大，达 6,899,075 bp（编码6,378个蛋白）。

• G+C 含量根据基因组数据，范围为 60.7–69.8 mol%（S. flava 至 S. lenta），但通过高效液相色谱法测定，京畿鞘氨醇单胞菌（S. kyungheensis）的 G+C 含量高达 72.2 mol%。

表3. NCBI数据库中鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas spp.）81个草图基因组和完整基因组的基因组特征及最低限度注释信息，包括基因组大小、GC含量、基因数量、RNA数量、蛋白质数量和假基因数量。

特别值得关注的是：

• S. insulae 和 S. subarctica 各携带 4 个质粒。

• 该属以降解多种化学农药和多环芳烃（PAHs）的能力著称，相关降解基因多位于质粒或附属基因组中（Basta 等, 2004）。

• 基因组分析揭示，β-酮己二酸途径（β-ketoadipate）和高香草酸途径（homogentisate）是其芳香族化合物降解的核心代谢通路（Zhao 等, 2017）。

• 具有降解能力的菌株基因组富含加氧酶基因，且表现出高度“可塑性”：含有大量转座酶、插入序列（IS），这些元件驱动了基因组的持续进化与功能重塑。

具体案例包括：

• S. fennica 拥有完整的氯酚降解基因簇；

• S. haloaromaticamans 能高效降解苯、邻苯二酚和氯苯类化合物（Wittich 等, 2007）；

• S. wittichii 的基因组中发现了氯乙酰苯胺类除草剂（CH）的完整降解系统，包括 cndA、cmeH、meaXY 和 meaAB 等基因，且这些基因紧邻可移动遗传元件蛋白，暗示其可能通过水平基因转移获得（Cheng 等, 2019）。

得益于其卓越的降解与合成能力，鞘氨醇单胞菌已被广泛应用于生物技术领域：

• 用于环境污染修复（如农药、石油、重金属污染土壤）；

• 生产胞外多糖（称为“鞘氨醇聚糖”，sphingans），如结冷胶（gellan）、韦兰胶（welan）和鼠李聚糖（rhamsan），这些物质在食品、制药和化妆品工业中具有重要价值。

生态分布

Sphingomonas 属细菌为自由生活型微生物，在自然与人工环境中无处不在。它们已从地球几乎所有生物群落中被分离出来，主要包括：

• 土壤环境：农田、根际、沙漠、永久冻土、冰川；

• 污染场地：含氯酚、六六六（HCH）、石油或金属矿渣的污染土壤；

• 水体系统：淡水湖泊、河流、池塘、游泳池、自来水乃至污水处理厂出水；

• 极端或特殊场所：医院诊室、手术室经紫外线消毒的水源、呼吸机设备（Yabuuchi 等, 1990, VL34）；

• 甚至在太空环境中也有踪迹，曾从和平号空间站（Mir）和科学实验室的空气样本中分离到该属菌株。

这些细菌之所以能在低营养环境中 thriving，得益于两大优势：

• 能在寡营养条件下生长；

• 可利用多种外源性难降解有机物（xenobiotics）作为碳源。

正因如此，它们在受污染土壤的宏基因组研究中频繁出现，成为环境微生物多样性的重要组成部分（Sangwan 等, 2012）。

富集与分离方法

Sphingomonas 属细菌因其在有机污染物生物修复（如土壤中多环芳烃、农药等）中的突出能力而备受关注。

为从复杂环境样本（尤其是土壤）中特异性分离该属菌株，研究人员开发了多种选择性富集策略。

常用方法：在培养基中添加链霉素（一种氨基糖苷类抗生素），并结合 Sphingomonas 菌落典型的黄色色素进行筛选。

研究表明，该属多数菌株对高浓度链霉素（高达 200 μg/mL）具有天然抗性（Vanbroekhoven 等，2004）。因此，可在 TSA、LB、海洋琼脂（MA）或无机盐基础培养基中加入链霉素，实现选择性富集。

最适富集条件：温度 25–28°C，pH 6.0–7.0。

此外，由于 Sphingomonas 是多种有机物的高效降解者，也可通过在最低盐培养基中添加特定目标污染物（如多环芳烃作为唯一碳源）进行功能导向富集，从而选择性促进其生长（Vanbroekhoven 等，2004）。

针对特定污染物，还有更精细的分离策略。例如，Manickam 等人（2008）通过检测脱氯酶和脱卤酶活性，成功从六六六（HCH）污染土壤中富集并分离出具有 HCH 降解能力的鞘氨醇单胞菌。

更进一步，Yim 等人（2010）开发了一种链霉素–哌拉西林双抗生素选择培养基结合 PCR 检测的联合方法，既能有效抑制杂菌，又能快速鉴定目标 Sphingomonas 菌株，显著提高了分离效率与准确性。

菌种保藏方法

Sphingomonas 菌株在实验室中易于培养和维持，常用培养基包括 R2A 琼脂、海洋琼脂。大多数菌株既可在固体斜面上传代，也能在液体培养基中稳定生长。

液体培养时，通常使用锥形瓶（Erlenmeyer flask），保持气液比为 5:1 或 4:1，瓶口以棉塞封堵，置于摇床（120–150 rpm）上，于 25–30°C 下振荡培养。

为保持菌种活力，建议每 1–1.5 个月进行一次转接传代。

长期保藏可通过以下方式实现：

• 添加 40–50% 甘油，于 –80°C 超低温冷冻；

• 或采用冷冻干燥（lyophilization）技术制成干粉，在常温干燥条件下保存。

实践表明，经冷冻干燥保藏的菌种即使存放 5–10 年，仍能成功复苏并恢复生长活性。

特征鉴定与分类依据

Sphingomonas 属隶属于鞘氨醇单胞菌科（Sphingomonadaceae）。基于 16S rRNA 基因序列的系统发育分析，该科最初被划分为四个主要进化簇（见图1）。

随后，Takeuchi 等人（2001）据此提出了三个新属：Sphingopyxis、Novosphingobium 和 Sphingobium。

这些属统称为“鞘氨醇单胞菌类群”（sphingomonads），广泛分布于多样生境，并共享多项关键特征：

• 对链霉素具有天然抗性（可用于选择性富集）；

• 细胞膜含糖鞘脂（SGL），取代传统脂多糖（LPS）；

• 主要多胺为精脒（spermidine）和高精脒（homospermidine）；

• 呼吸醌以泛醌 Q-10为主。

与其他属的区分特征

尽管上述特征在鞘氨醇单胞菌科内较为普遍，但要准确界定 Sphingomonas 属，需依赖更精细的化学与分子标志：

✅ 核心鉴别特征：

• 葡糖醛酰基神经酰胺（glucuronosyl ceramide）的存在——这是定义 Sphingomonas 属及整个科的关键脂质标志；

• 2-羟基肉豆蔻酸（2-OH myristic acid）为主要羟基脂肪酸；

• 完全不含任何 3-羟基脂肪酸（注：兼性厌氧菌 Zymomonas mobilis 含非羟基肉豆蔻酸，属例外）；

• 主要脂肪酸为 C18:1、饱和 C16:0 和/或 C17:1；

• 主要 2-羟基脂肪酸为 C14:0 2-OH 或 C15:0 2-OH；

• 含有糖鞘脂（glycosphingolipid）；

• 呼吸醌以 Q-10 为主，辅以少量 Q-9 和 Q-8；

• 多胺以 高精脒（homospermidine）和 对称-高精脒（sym-homospermidine）为主。

⚠️ 注意：仅凭“含有鞘脂”（sphingolipid）、“长链碱基”（long chain bases）或笼统的“糖鞘脂”（SL）不足以将某菌归入 Sphingomonas 属——必须明确检测到葡糖醛酰基神经酰胺这一特异性结构。

✅ 分子标记：

基于系统发育分析，Sphingomonas 属在 16S rRNA 序列上具有以下保守位点特征（Chen 等，2012）：

• 52:359（C:G）

• 134（G）

• 593（G）

• 987:1218（G:C）

• 990:1215（U:G）

这些位点可作为可靠的分子标记，用于将其与其他近缘属（如 Sphingopyxis、Novosphingobium 等）区分开来。

综合上述化学、生理与分子特征，系统发育树（图1）清晰地将 Sphingomonas 与从其原属中拆分出的其他属（见表4）划分为独立的进化分支，为现代分类提供了坚实依据。

表4. 已被重新分类至新鞘氨醇杆菌属（Novosphingobium）、鞘氨醇杆菌属（Sphingobium）、鞘氨醇吡啶单胞菌属（Sphingopyxis）及其他属的鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas spp.）菌种列表

图 1. 基于 16S rRNA 基因序列构建的系统发育树。共包含 148 个物种：其中 127 个为 Sphingomonas 属有效发表种，其余为已从 Sphingomonas 重新分类至邻近属的物种（用于比较分析）；以 Rhodospirillum rubrum ATCC 11170T 作为外群；Sphingomonas aeria 已被重新归类为 S. carotinifaciens。系统发育树采用邻接法（Neighbor-Joining method）构建（Saitou 和 Nei，1987）。树形按比例绘制，分支长度单位与用于推断系统发育关系的进化距离单位一致。进化距离采用 Jukes–Cantor 模型（Jukes 和 Cantor，1969）计算，单位为每个位点的碱基替换数。所有含空缺（gaps）或缺失数据的位点均被剔除，最终数据集共包含 1,321 个有效位点。系统发育分析使用 MEGA7 软件（Kumar 等，2016）完成。

分类学评述

鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）由 Yabuuchi 等人于 1990 年正式提出（VL34），其属名源于模式菌株细胞脂质中含有一种独特的糖鞘脂（sphingoglycolipid, SGL-1）——该分子以葡萄糖醛酸（glucuronic acid）作为糖基部分（Yamamoto 等，1978）。

有趣的是，SGL-1 最初是在 Flavobacterium devorans ATCC 10829 的细胞脂质中被发现的。然而，该菌株是当时唯一保存在菌种保藏中心的 F. devorans 培养物，且无其他活体菌株可供比对。后续研究证实，ATCC 10829 实为错误鉴定的分离株，并非该物种的全模标本（holotype）（Yabuuchi 等，1979）。后来，该菌被重新归类为 Pseudomonas paucimobilis，但由于命名优先权问题，“devorans”这一种加词无法取代“paucimobilis”。

进一步证据也支持这一归并：

P. paucimobilis 与 F. devorans 的模式菌株之间显示出高达 93±6% 的 DNA–DNA 杂交率 和 87% 的蛋白质图谱相似性（Owen & Jackman, 1982）。

基于 16S rDNA 系统发育分析 和 细胞脂质中 SGL 的存在，Yabuuchi 等人（1999b）将以下类群正式并入 Sphingomonas 属：

• “Rhizomonas” van Bruggen 等，1990；

• Blastomonas Sly & Cahill，1997（后由 Hiraishi 等，2000 修订）；

• Erythromonas Yurkov 等，1997。

目前，该属已包含 127 个有效发表的物种，它们与模式种 少动鞘氨醇单胞菌（S. paucimobilis）的 16S rRNA 基因序列相似性范围为 91.0% 至 98.1%。

随着新物种数量激增、代谢能力高度多样化、生态分布极其广泛，Sphingomonas 属的界定经历了多次重大分类修订。这些修订主要基于 16S rDNA 序列的系统发育分析（Takeuchi 等，1994, 2001；Balkwill 等，1997；Kämpfer 等，1997；Hiraishi 等，2000；Stolz 等，2000）。

其中最具影响力的调整之一，是 Takeuchi 等人（2001）提出的四属拆分方案：将原 Sphingomonas 拆分为 Sphingomonas、Sphingobium、Novosphingobium 和 Sphingopyxis。此后，结合系统发育与化学分类数据，19 个原属物种被重新归类（视为异名），详见表 4。

近年来，全基因组分析在厘清该属系统发育关系中发挥了关键作用。例如：

• Caulobacter leidyi 已被重新分类为 Sphingomonas leidyi（Chen 等，2012）；

• 最近，Sphingomonas aeria 经全基因组比对被认定为 S. carotinifaciens 的晚出异名（later heterotypic synonym）（Madhaiyan 等，2020）。

基因组水平的分类验证

为准确界定系统发育归属，研究人员对数据库中已有的 81 个 Sphingomonas 基因组进行了 BLAST-based 平均核苷酸一致性（ANIb）分析。结果显示，各菌株与模式种之间的 ANI 值介于 71.62% 至 95.60%（图 2），普遍低于物种划分推荐阈值（95–96%）（Goris 等，2007；Thompson 等，2013）。

图 2. 基于平均核苷酸一致性（ANI）的热图及双向聚类树。菌株间比较采用 BLAST-based ANIb 方法（默认参数），所得矩阵在 R 软件环境（R Core Team，2015）中绘制为带有双向聚类树（dual dendrogram）的热图。

但有一个显著例外：

Sphingomonas haloaromaticamans P3（MIPT00000000.1）与 S. fennica K101T（PHHF00000000.1）之间的 ANIb 高达 97.71%。进一步分析显示：

• 16S rRNA 基因序列相似性达 99.93%；

• 全基因组距离（GGDC）为 85.00%；

• 平均氨基酸一致性（AAI）为 95.78%。

所有指标均远超物种界定阈值，表明二者实为同一物种。由于 S. haloaromaticamans P3 并非模式菌株，作者据此推断：该基因组被错误注释，应更正为 S. fennica P3。

类似情况也出现在 S. melonis DAPP-PG 224T 与 S. aquatilis NBRC 16722T 之间，核心基因组分析将其判定为姊妹种（sibling species）（图 4）（Madhaiyan 等，2020）。

此外，基于核心基因组比对构建的系统发育树（使用 MAFFT 对齐 + IQ-TREE 建树 + iTOL 可视化；Nguyen 等，2015；Letunic & Bork，2019）清晰地将 S. haloaromaticamans P3 与 S. fennica K101T 聚为单一进化枝，其余物种的聚类模式也与 16S rRNA 和 ANI 结果高度一致。

因此，作者强调：所有新提交至数据库的基因组，都必须通过 OGRI（Overall Genome Relatedness Indices）。

泛基因组特征揭示进化潜力

利用 OrthoMCL 算法（参数：覆盖度 ≥50%，相似度 ≥50%），对这 81 个基因组进行泛基因组分析（Get_homologues）：

• 核心基因组（core genome）包含 591 个保守基因簇，主要编码生存必需功能；

• 泛基因组（pan-genome）则高达 44,156 个基因簇（t=0 参数下）（图 3a, b）。

图 3. 基于 81 个 Sphingomonas 物种基因组的泛基因组与核心基因组估算（采用 Tettelin 拟合模型）。（a）81 个基因组的核心基因组大小估算；（b）泛基因组大小估算。横轴（x 轴）表示纳入分析的基因组数量（g），纵轴（y 轴）表示核心基因组或泛基因组的基因数量。各图中给出了依据 Tettelin 拟合模型估算泛基因组与核心基因组大小的数学公式（引自 Contreras-Moreira 与 Vinuesa，2013）。

值得注意的是：

• 核心基因组曲线已趋于饱和（Tettelin 拟合），表明新增基因组不会显著改变核心基因集；

• 但泛基因组呈“开放型”（open pan-genome），说明该属具有持续从环境中获取新基因的能力；

• 其中包含 26,850 个单拷贝基因（singletons），多数为参与外源化合物降解的代谢基因，印证了其在生物修复中的强大适应力。

基于核心基因组的系统发育分析还揭示了 5 个明显独立的进化分支（图 4），进一步支持了该属内部的高度多样性。

图 4. 基于核心基因组比对的 Sphingomonas 物种（n = 81）系统发育分析。序列比对使用 MAFFT 完成，系统发育树采用 IQ-TREE 软件基于最优拟合模型构建，并进行 1,000 次 Bootstrap 重复检验。最终未定根树（unrooted tree）通过 iTOL 平台可视化。

新物种不断涌现，分类仍在动态更新

鉴于 Sphingomonas 属成员展现出非凡的代谢可塑性和广泛的环境适应能力，新物种仍在持续被描述。例如，在本文审稿期间，一个名为 Sphingomonas solaris 的新种被正式有效发表（Tanner 等，2020）。

此外，Hördt 等人（2020）近期对多个 Sphingomonas 物种的描述进行了修订，并提供了大量模式菌株的基因组信息。不过，截至 2020 年 4 月 15 日，这些修订尚未被《国际系统与进化微生物学杂志》（IJSEM）的《分类意见变更列表》（List of Changes in Taxonomic Opinion）正式收录。

更多详细信息请查阅《伯杰细菌手册》

参考文献

https://doi.org/10.1002/9781118960608.gbm00924

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更新日期：2025-11-21

编制人：小灰

审稿人：小藻