台灣溫泉裡的小小居民：嗜熱溫泉藍綠菌TA-1、CL-1的基因體解讀

當氣溫轉涼，我們總是迫不及待地尋找一處舒適的溫泉，享受泡湯溫暖的感覺。然而，或許你未曾意識到，在這些溫泉的溫暖環境下，存在著一群微小而神秘的微生物，它們默默地成為人類泡湯的夥伴。這群微生物叫做「嗜熱溫泉藍綠菌」，能在極端高溫（45-73°C）的中性和鹼性碳酸溫泉環境中進行光合作用和存活繁衍，擁有超強的適應力，堪稱溫泉中最具代表性的微生物。

嗜熱溫泉藍綠菌的生理機能相當特殊，在高溫下保持細胞正常的生長和代謝活性，在常溫下反而生長和代謝受到抑制。溫泉藍綠菌的酵素具有高度的熱穩定性，因此成為熱穩定性酵素極佳的來源。此外，嗜熱溫泉藍綠菌是溫泉生態系統中的最主要生產者，透過光合作用將陽光轉化為能量，同時釋放氧氣。這種光合作用的能力能為整個溫泉生態系統其他微生物提供能量和氧氣的來源。近年來，隨著生物科技的迅速發展，這些溫泉藍綠菌還能成為生質能源和環境復育的重要方法。因此，深入分析這群微生物的基因體，我們不僅能更了解其獨特的生理功能及演化史，對於生態系統的保育和永續，及生物科技的應用和發展也將有所助益。

在亞洲的中性和鹼性碳酸溫泉中，Thermosynechococcus屬是最主要的藍綠菌物種和生產者。為釐清並深入了解這些微生物身上蘊含的科學奧秘，中研院植微所朱修安博士及郭志鴻博士研究團隊曾於2020年對成功大學薛欣達博士從台東太麻里的金崙溫泉（pH 9.3, 62°C）採集到的Thermosynechococcus sp. CL-1進行全基因體分析與跨物種比較，結果發現此菌株與同屬其他物種的染色體結構及基因內容皆有相當大的不同，演化上的親緣關係也相當遠，因此可作為一個新種的代表。2022年時，又對輔仁大學呂誌翼博士從苗栗泰安溫泉（pH 7.5, 40-63°C）採集到的新型菌株Thermosynechococcus sp. TA-1進行全基因體定序，並與金崙溫泉的CL-1進行比較。此外，更由GenBank資料庫中取得全球各地同屬的溫泉藍綠菌株的基因體序列進行比較，以增進對嗜熱溫泉藍綠菌演化及親緣關係的理解。

透過親緣關係比較，研究團隊發現TA-1與CL-1的平均核苷酸相似度（ANI）高達97.0%，超越了通常用於區分細菌物種的95%門檻。
這代表著台灣溫泉藍綠菌TA-1和CL-1 屬於相同物種。相較之下，台灣溫泉藍綠菌與其他國家和地區的溫泉藍綠菌株的ANI 差異低於95%，顯示台灣溫泉藍綠菌TA-1和CL-1代表台灣特有的新物種。這項親緣關係比較研究進一步凸顯了台灣溫泉藍綠菌在演化上的獨特性。

另一個有趣的現象是，這些藍綠菌的演化和基因體多樣性似乎與它們的地理位置密切相關。例如，台灣（TA-1和CL-1）、印度（M55和M98）和中國的溫泉藍綠菌菌株（E542）形成了一個系群，而所有的日本溫泉藍綠菌形成了另一個系群；與美國的溫泉藍綠菌菌株（S. lividus PCC 6715）親緣關係最遠。

此外，比較基因體分析結果顯示台灣溫泉藍綠菌株TA-1和CL-1的基因體具有一些其他地區的溫泉藍綠菌沒有的特徵。
例如，TA-1和CL-1菌株共同具有參與一氧化氮保護（nitric oxide protection）和卡那黴素抗性（kanamycin resistance）的基因。相反地，不具有參與尿素運輸（urea transport）和趨化運動（chemotaxis）的基因。這突顯了台灣溫泉藍綠菌株在演化過程中，可能為了適應台灣的特殊溫泉生態環境，從環境的微生物中藉由基因的水平轉移獲得或是失去這些基因組的演化證據。

嗜熱溫泉藍綠菌的研究不僅帶給我們對微生物世界的深刻洞見，也開啟了探索生命在極端環境中存活和繁衍的新視野。這些研究的發現不僅豐富了我們對生命的理解，同時也為生物技術的發展和生態研究提供了重要的參考。溫泉，原來是這麼多生命奇蹟的寶庫！期待未來更多的研究能夠解開這些微小生物所蘊藏的更多奧秘，並為生態學、生物科技等領域帶來更多啟示。在台灣的每一個溫泉中，都隱藏著這些微生物的故事，等待著被一一揭曉。

【延伸閱讀】
Yen-I Cheng, Yu-Chen Lin, Jyh-Yih Leu, Chih-Horng Kuo*, Hsiu-An Chu*
Comparative analysis reveals distinctive genomic features of Taiwan hot-spring cyanobacterium Thermosynechococcus sp. TA-1.
Front Microbiol (2022) 13:932840.
🥒https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.932840

Yen-I Cheng, Lin Chou, Yi-Fang Chiu, Hsin-Ta Hsueh, Chih-Horng Kuo*, Hsiu-An Chu*
Comparative genomic analysis of a novel strain of Taiwan hot-spring cyanobacterium Thermosynechococcus sp. CL-1
Front Microbiol (2020) 11:82.
🥒https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00082