上海交通大學深部生命國際研究中心生命科學技術學院王寅炤副教授和肖湘教授為共同通訊作者，王寅炤副教授為作者。德國不來梅大學及Max-Planck海洋微生物研究所的Gunter Wegener教授和英國布里斯托大學Tom Williams教授為本文國外合作者。

產甲烷古菌被認為是地球早期演化形成的生命形式之一，與烷烴厭氧氧化古菌一起，他們對地球氣候的調節有著至關重要的作用，因此，解析烷烴代謝古菌的起源和演化過程將有助于我們進一步認識早期地球環境與微生物代謝的相互作用關系。古菌產甲烷過程有三條經典代謝途徑：氫氣和二氧化碳還原型，甲基化合物還原型和乙酸裂解型產甲烷，通常認為氫氣和二氧化碳型為產甲烷古菌的祖先類型。但是由于證據不足，目前對不同途徑產甲烷古菌的起源和演化過程仍存在很大爭議，另外，對近年才發現的古菌厭氧多碳烷烴代謝過程的起源和演化過程更不清楚。

為揭示古菌烷烴代謝起源與演化的難題，本項目通過不同環境的烷烴代謝古菌進行研究，發現產甲烷代謝特征在大部分古菌中進行垂直轉移，現有數據顯示其祖先很可能早在Euryarchaeota， TACK和Asgard古菌三大超門分化之前已經產生。經分子鐘計算，產甲烷古菌祖先大概出現在晚冥古宙或早太古宙時期（~3.8-4.1 Ga）。雖然目前沒有在古菌第四大超門DPANN中發現烷烴代謝關鍵基因，但也不排除該超門曾經也具有烷烴代謝的功能，若能夠在該門類中發現烷烴代謝通路，則產甲烷古菌的起源將推向更早。我們通過對已知門類產甲烷古菌的代謝進化分析，發現的產甲烷古菌祖先并非傳統認為的氫氣和二氧化碳型產甲烷古菌，而是一類基于甲基化合物和氫氣型產甲烷的古菌類群。經典的二氧化碳還原型產甲烷古菌則是在演化出一個新的巰基四氫甲蝶呤甲基轉移酶之后，通過將產甲烷過程和Wood-Ljungdahl途徑結合而產生。Wood-Ljungdahl途徑將二氧化碳還原為甲基四氫甲蝶呤，巰基四氫甲烷蝶呤甲基轉移酶則將甲基四氫甲蝶呤轉換為甲基輔酶M，最終甲基輔酶M被甲基輔酶M還原酶還原為甲烷。而本研究中推測的產甲烷古菌祖先使用的甲基化合物還原型產甲烷途徑則更為簡單，該類型古菌可以直接將甲基化合物還原為甲烷，從而獲得能量。

古菌多碳烷烴代謝過程也非常古老，我們發現了兩種潛在的類似乙烷代謝的古菌，并發現這些古菌的代謝基因位于所有多碳烷烴代謝基因系統發育樹的根部，因此推斷多碳烷烴活化基因很可能是由一類新的乙烷代謝基因演化而來。隨后這些多碳烷烴代謝基因通過水平基因轉移，進入多種不同門類的古菌Ca. Bathyarchaeia， Ca. Lokiarchaeia， Ca. Hadarchaeia以及產甲烷型Ca. Methanoliparia基因組中。

在本研究中，其中一類較為原始的甲基型產甲烷古菌以中國神話人物女媧命名，該類群被稱為女媧古菌（Ca. Nuwarchaeales）。早期地球上產甲烷古菌產生的甲烷可以協助形成古溫室效應，彌補年輕太陽輻照能量不足的問題，從而起到保護早期生命的作用。而中國神話人物女媧補天也是遠古時代拯救蒼生的故事，以此借喻產甲烷微生物的重要性。這是自哪吒古菌（Ca. Nezhaarchaeota）和悟空古菌（Ca. Wukongarchaeota）之后第三個以中國神話人物命名的古菌類群，拓展了中國文化在國際上的影響力。此外，本研究還發現了多種新型厭氧多碳烷烴代謝古菌。綜上所述，該研究拓展了科學界對自然界烷烴厭氧代謝和古菌的認識，認為烷烴代謝很可能是古菌和早期生命的基本共同生命特征之一，為深入研究生命起源和演化提供了一個新的思路。