微生物通过改变细胞膜脂化合物的组成来适应环境变化是构建有机地球化学替代性指标的基础之一^[1–2]。当生存环境剧烈变化时，微生物会对细胞膜脂化合物进行多种修饰以调整细胞膜的流动性、渗透性和稳定性，例如增加或减少主碳链上的不饱和双键、甲基、五元环、六元环等^[2–3]。而基于此生理过程的分子指标能够灵敏地反映地质环境的变化，在古环境重建与全球环境变化领域发挥越来越重要的作用^[4–6]。

作为某些微生物细胞膜的重要组成成分，甘油二烷基甘油四醚(glycerol dialkyl glycerol tetraethers，GDGTs)化合物具有结构特殊、分布广泛、化学性质稳定等特点，是近20年来有机地球化学研究的热点生物标志物之一^[6]。从生物来源分类，GDGTs包括来自古菌细胞膜的类异戊二烯型GDGTs (isoprenoid GDGTs，isoGDGTs)与来自细菌细胞膜的支链型GDGTs (branched GDGTs，brGDGTs)。古菌isoGDGTs与细菌brGDGTs在结构上既有相似性，又存在显著的差异。两者都由2个甘油骨架与2段碳链依靠4个醚键，而非酯键，连接构成。但前者的甘油立体构型为甘油-1-磷酸(glycerol-1-phosphate，G-1-P)构型，其碳链为类异戊二烯结构，并携带0–8个五元环或1个六元环；而后者为甘油-3-磷酸(glycerol-3-phosphate，G-3-P)构型，中间碳链为支链烷烃结构，在C₅或C₆等位置上配有不同数目的甲基并携带0–2个五元环(图 1)。

GDGTs的疏水部分称为核心脂(core lipid-GDGTs，CL-GDGTs)，在核心脂甘油骨架的末端连接着亲水极性基团形成完整极性脂(intact polar lipid-GDGTs，IPL-GDGTs)。GDGTs在微生物活体细胞内基本以IPL-GDGTs形式存在。当细胞死亡后，IPL-GDGTs容易失去其极性基团，降解成为化学性质稳定的CL-GDGTs，能长时间地被保存在地质载体中。因此，自然环境中的CL-GDGTs可作为微生物的生物标志物。其组成变化记录了地质时期中微生物所在的生长环境(如温度、pH等)的改变，由此建立的GDGTs有机地球化学指标被广泛应用于定量或定性的古环境重建研究以及生物地球化学过程的指示研究(图 2)^[5–7]。

关于GDGTs化合物在海洋、湖泊、陆地等各类环境中的分布特征及其对环境的响应已有详尽的研究，且大量的区域性与全球性校正公式的建立推广了以GDGTs为基础的有机地球化学指标在地球科学领域的应用^{[5–6, 8]}。然而，GDGTs指标的构建主要基于对环境样品中脂类化合物分布与环境因子之间关系的统计分析，缺乏坚实的分子生物学与生理学基础，在被广泛应用的同时人们也不断发现其适用性和准确性的问题^[4–8]。微生物对环境的响应机制包含生理学与生态学两方面，因此我们不仅需要考虑微生物适应环境的化学机理，更需要考虑微生物的生理过程、生物群落结构以及生态功能^[4]。

关于GDGTs化合物响应环境变化的生理机制的研究目前还相对匮乏。主要原因在于多数产生GDGTs的古菌与细菌类群难以分离和培养，并且以它们为研究对象的分子生物学研究工具十分有限。同时，自然环境中微生物群落结构复杂且受到各种环境因素影响，难以分辨GDGTs的分布是微生物个体对环境变化做出的直接响应，还是微生物群落结构改变的结果。这些困难都限制了我们理解GDGTs指标的生理基础，阻碍我们进一步提高指标的适用性与准确性。

基因编辑技术的进步和地球生物学等交叉学科的发展，为研究古菌脂类合成机制提供了重要的契机。近期的研究鉴定出了控制古菌isoGDGTs合成途径中关键的酶和基因，在古菌膜脂合成的生理、生化方向取得了一系列进展^[9–12]，对厘清自然环境中膜脂化合物的生物来源和理解微生物通过改变细胞膜脂的组成以适应环境变化的过程至关重要。本文全面综述了古菌isoGDGTs的合成过程，提出细菌brGDGTs合成机制的假说，并讨论了GDGTs生理过程的生物地球化学意义，以期为理解GDGTs响应环境变化的机制提供崭新的视角。

1 GDGTs合成机制

GDGTs化合物的生物合成过程由一系列基因和酶参与和调控。近期的研究已经陆续解析出古菌isoGDGTs的核心合成途径^[9–13]。但由于受生物源的限制，细菌brGDGTs的确切的合成酶和合成途径尚不清晰，但相关研究推测其合成途径与古菌isoGDGTs类似^[11]。基于目前已发表的研究，本文将分别从二醚、四醚、四醚环化和极性头基的生物合成过程介绍古菌isoGDGTs的合成机制，并对细菌brGDGTs的合成机制进行推测(图 1)。

1.1 古菌archaeol生物合成机制

古菌主要产生2类化合物作为细胞膜脂组成，甘油二烷基二醚(dialkyl glycerol diether，DGD)和isoGDGTs。前者又被称为古菌醇(archaeol)。目前，通过在大肠杆菌中异源表达的方法，研究学者对于archaeol的合成过程已经有了清晰的认识(图 1A)^[13]。Archaeol的合成主要包括类异戊二烯链的合成、G-1-P的合成以及醚键形成这3个主要的环节。

类异戊二烯链的合成分为两步。首先，古菌通过甲羟戊酸(mevalonate，MVA)途径合成异戊烯基焦磷酸(isoprenyl diphosphate，IPP)和二甲基烯丙基焦磷酸(dimethylallyl diphosphate，DMAPP)这2个C₅单元前体^[14–15]。然后，异戊烯基转移酶催化DMAPP与多个IPP进行缩合反应，生成香叶基焦磷酸(geranyl pyrophosphate，GPP；C₁₀)、法尼基焦磷酸(farnesyl pyrophosphate，FPP；C₁₅)以及香叶基香叶基焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate，GGPP；C₂₀)等不同链长的类异戊二烯化合物。其中GGPP就是archaeol的组成部分，由异戊烯基转移酶中的GGPP合成酶(GGPP synthase，GGPPS)催化合成(图 1A)^[16]。

构成微生物细胞膜脂的甘油磷酸骨架存在2种空间构型：G-1-P和G-3-P，它们是对映异构体(图 1)。前者是古菌膜脂中常见的甘油构型，而后者主要存在于细菌和真核生物的膜脂中。甘油磷酸由糖酵解作用或CO₂固定的中间产物二羟基丙酮磷酸(dihydroxyacetone phosphate，DHAP)转化而成。在古菌中，由甘油-1-磷酸脱氢酶(G-1-P dehydrogenase，G-1-PDH)作用，形成G-1-P；而在细菌与真核生物中，则主要由甘油-3-磷酸脱氢酶(G-3-P dehydrogenase，G-3-PDH)作用，形成G-3-P^[17]。

Archaeol醚键的形成分为两步。在香叶基香叶基甘油磷酸合成酶(geranylgeranylglycerol phosphate synthase，GGGPS)的催化作用下，GGPP与G-1-P的sn-3位的碳生成第一个醚键，产物为GGGP^{[16, 18–19]}；随后，双香叶基香叶基甘油磷酸合成酶(digeranylgeranylglyceryl phosphate synthase，DGGGPS)催化另一分子GGPP与G-1-P的sn-2位的碳生成第2个醚键，产物即为DGGGP^[20]。值得注意的是，GGGPS完成了古菌醚脂的3个主要结构(类异戊二烯碳链、G-1-P骨架和醚键)的组装，而且它能够识别G-1-P的立体化学构型，所以科学家们认为GGGPS的进化过程记录了古菌的演化历程^[21]。最后，DGGGP中不饱和的碳碳双键(C=C)进一步经过香叶基香叶基还原酶(geranylgeranyl reductase，GGR)催化发生加氢反应转化成饱和的archaeol (图 1A)，从而完成古菌二醚膜脂archaeol合成的最后一步^[22]。

1.2 古菌isoGDGTs生物合成机制

早在20世纪80年代，isoGDGTs就作为一种独特结构的古菌膜脂被认识^[23]。Archaeol被推测是isoGDGTs合成的前体化合物^[24]。但直到2022年，催化archaeol合成isoGDGTs的关键基因才被发现。Zeng等^[11]运用比较基因组学，结合古菌基因异源表达和脂质分析等方法，首次鉴定出了合成古菌isoGDGTs的关键酶，并命名为四醚合成酶(tetraether synthase，Tes)。Tes属于自由基硫腺苷甲硫氨酸蛋白(radical S-adenosylmethionine protein，radical SAM protein)家族。它能将2个archaeol分子通过缩合反应形成1个isoGDGT-0 (图 1A)；中间产物为类异戊二烯甘油三烷基甘油四醚(isoprenoid glycerol trialkyl glycerol tetraether，isoGTGT)，副产物为大环古菌醇(macrocyclic archaeol)^[11]。随后，Lloyd等^[12]通过生化和蛋白结构研究揭示了Tes蛋白的催化机制，发现Tes能够利用完全饱和的archaeol作为底物合成isoGDGT-0^[12]。

1.3 古菌isoGDGTs的环化机制

古菌通过对isoGDGTs进行不同的修饰以适应环境的变化，比如在碳链上合成1–8个五元环的结构(图 1A)，或者形成4个五元环加上1个六元环的结构(crenarchaeol及其同分异构体crenarchaeol(’)，图 1A)。Zeng等^[10]在硫化叶菌中鉴定出催化古菌isoGDGTs五元环合成的2个关键酶(GDGT ring synthase，Grs)。其中，GrsA控制类异戊二烯链中C₇位置的五元环合成，产生isoGDGT-1–4；在此基础上，GrsB催化C₃位置的五元环合成，产生isoGDGT-5–8 (图 1A)。然而，目前对催化crenarchaeol(’)的六元环合成的酶和机制尚不清楚，但我们推测催化六元环的合成酶可能也属于radical SAM蛋白家族。

1.4 古菌醚脂极性头基的生物合成机制

古菌醚脂中常见的极性基团包括己糖、己糖-磷酸、磷脂酰类基团以及热醇(calditol)等。其中，胞苷二磷酸-DGGG (cytidine diphosphate DGGG，CDP-DGGG)是合成不同极性基团的重要前体，由CDP-archaeol合成酶(CDP-archaeol synthase，CarS)催化合成^[25]。随后，CDP-DGGG由CDP-醇磷脂酰转移酶(CDP-alcohol phosphatidyl transferase，CAPT)家族的蛋白催化形成带有不同磷脂酰类基团的IPL-DGGG (图 1A)。而古菌CAPT家族中许多蛋白与细菌、真核生物的相关酶的序列相似，具有同源性，包括磷脂酰丝氨酸合成酶、磷脂酰甘油合成酶和磷脂酰肌醇合成酶等^[26]。因此，古菌、细菌和真核生物的许多磷脂基团是共有的，例如磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰甘油和磷脂酰肌醇等^[27]。

然而，古菌也有特有的极性基团，比如出现在嗜酸古菌类群中的calditol基团(图 1A)。Zeng等^[9]在硫化叶菌中识别了合成calditol基团的关键酶并命名为热醇合成酶(calditol synthase，Cds)，发现敲除其编码基因后，该菌在强酸环境下的生长受到了抑制；说明热醇有利于硫化叶菌在酸性环境下维持细胞膜的完整性，是古菌为了在强酸环境下生存所合成的一种特殊的极性基团。而热醇合成酶基因只在嗜酸的古菌类群中出现，表明calditol醚脂具有成为指示酸性环境生物标志物的潜力。

1.5 细菌brGDGTs生物合成途径的推测

细菌brGDGTs化合物最初在泥炭中被检测出来^[28]，后来发现广泛分布于各类环境^[5]。自被鉴定以来，brGDGTs的生物源就是一个未解之谜。许多研究推测，brGDGTs来自包括酸杆菌在内的不同门类的细菌^[5–6]。直到最近，Chen等^[29]与Halamka等^[30]同时发现一株酸杆菌能够合成C₅位置带0–2个甲基的brGDGTs以及带五元环的brGDGTs^[29–30]。由于brGDGTs合成途径上下游的关键合成酶尚未鉴定出来，本文根据常见的细菌磷酸甘油脂的合成途径^[31–32]以及现有的研究^[29–30]，对细菌brGDGTs的合成途径进行如下推测(图 1B)。

带有isoC₁₅脂肪酸链的酰基-酰基载体蛋白(acyl-acyl carrier protein，acyl-ACP)首先在磷酸酰基转移酶(phosphate acyl transferase，PlsX)的催化作用下与磷酸结合，形成酰基-磷酸(acyl- phosphate，acyl-PO₄)中间体。然后，甘油-磷酸酰基转移酶(glycerol-3-phosphate acyltransferase，PlsY)将acyl-PO₄的酰基脂肪酸链部分转移到G-3-P的sn-1碳位上，形成1-酰基-甘油-3-磷酸(1-acyl-G-3-P)^[33]。在此基础上，1-酰基-甘油-3-磷酸酰基转移酶(1-acyl-sn-glycerol-3-phosphate acyltransferase，PlsC)再将另一分子的acyl-ACP的酰基脂肪酸链部分转移到sn-2碳位上，形成1, 2-二酰基-甘油-3-磷酸(1, 2-diacyl-G-3-P)^[34]，即带有脂肪酸链的磷酸甘油二酯(diacylglycerol，DAG)化合物(图 1B)。随后，通过缩醛磷脂合酶(plasmalogen synthase，PlsAR)将酯键转化为醚键，形成二醚化合物(dialkyl glycerol ether，DGE)。与古菌isoGDGTs合成类似，2个isoC₁₅-DGE分子通过细菌Tes同源蛋白缩合形成brGTGT-Ia与brGDGT-Ia^[29–30]。最后，brGDGTs通过细菌GDGTs环化酶Grs形成1–2个五元环结构(图 1B)。然而，brGDGTs生物合成途径中关键的基因还有待进一步验证。

2 GDGTs合成机制的生物地球化学意义

对GDGTs合成机制的解析以及具有关键调控作用的酶或功能基因的鉴定，为理清复杂自然环境中GDGTs的生物来源、认识GDGTs响应环境变化的分子调控机制以及GDGTs指标的构建提供了必要的理论基础和新的思路(图 2)。

2.1 古菌TEX₈₆指标

古菌isoGDGTs碳链中五元环比例的增加使细胞膜具有更高的热转变点、排列更紧密并维持温度改变时细胞内外的质子梯度，被认为是嗜热古菌适应高温环境的生存策略之一^[35–36]。Schouten等^[37]在不同纬度的海洋表层沉积物中观测到带五元环结构的古菌isoGDGTs化合物的分布差异，推测海洋环境中的中温古菌也使用相同的策略适应海水温度的改变。基于此，Schouten等^[37]在2002年提出由isoGDGTs-1、-2、-3与crenarchaeol’构成的四醚指数(tetraether index of tetraethers consisting of 86 carbon atoms，TEX₈₆)，反映海洋古菌对海水温度变化的响应过程，并且与海水表层温度(sea surface temperatures，SST)之间存在很好的相关性。

TEX₈₆指标被广泛用于反映海洋环境的水体温度，是古环境研究中定量重建温度的重要指标之一^{[8, 38]}。而一个困扰TEX₈₆应用的问题在于海洋中isoGDGTs化合物的生物源并不明确。尽管构成TEX₈₆指标的isoGDGTs化合物，特别是带有4个五元环与1个六元环的crenarchaeol’，被普遍认为主要来自海洋古菌类群I (marine group I，MGI)^[37]，但部分研究认为海洋水体中另一类尚未被分离培养的海洋古菌类群II (marine group II，MGII)也可以合成isoGDGTs化合物，并且是海洋水体中isoGDGTs的主要贡献者^[39]。然而，Zeng等^[10–11]并未在MGII的宏基因组拼接基因组(metagenome-assembled genomes，MAGs)中比对出与Grs蛋白、Tes蛋白具有同源性的蛋白序列，表明MGII缺乏合成五元环、甚至四醚的功能蛋白。这意味着MGII不具备合成isoGDGTs的能力，因此对TEX₈₆指标不产生影响，为解决困扰已久的海洋古菌isoGDGTs来源之争提供了有力的证据^[39–41]。因此，Grs蛋白与Tes蛋白的鉴定不仅解决了古菌isoGDGTs合成途径中的谜团，还有助于预测尚未培养的古菌物种的膜脂特征。

另外，TEX₈₆被认为受到许多非温度因素的影响，包括陆源输入、化合物差异性降解、古菌群落结构变化、环境中氧气与铵离子浓度变化等，导致其准确性受到质疑^[42–44]。而基于数据统计与经验公式得到的TEX₈₆指标缺少相应的古菌生理机制，难以从构建与应用过程中剔除非温度因素的影响，这也是限制TEX₈₆指标应用的最主要的问题之一。而Grs蛋白的鉴定为研究古菌isoGDGTs五元环对不同环境因素的响应过程提供了新的思路，有望从生理、生态方面解决非温度因素影响的问题。一方面，我们可以进一步通过细致的基因调控实验深入探究grs基因或Grs蛋白在各类环境因素下的调控规律；另一方面，我们可以直接研究自然环境中控制grs基因或Grs蛋白分布的各类环境因素。这些研究将从调控古菌isoGDGTs生物合成的关键基因或酶的角度更准确地认识isoGDGTs对环境变化的分子响应过程，从而为TEX₈₆指标提供更明确的机制。

2.2 细菌MBT/CBT指标

自2000年细菌brGDGTs被发现以来，一直就是有机地球化学研究的热点。大量的调查研究发现brGDGTs广泛分布于泥炭、土壤、湖泊、海洋等各种地质环境^[45–48]。2007年Weijers等^[46]分析了全球土壤中brGDGTs化合物的分布特征，提出表征其分布的2个指标甲基化指数(methylation index of branched tetraethers，MBT)和环化指数(cyclisation ratio of branched tetraethers，CBT)，分别表示brGDGTs化合物的甲基化程度与环化程度。通过统计分析，Weijers等^[46]发现MBT受大气年平均温度(mean air temperature，MAT)与土壤pH控制，而CBT与土壤pH存在负相关关系；在此基础上建立了用于定量重建MAT与土壤pH的经验公式，并被成功地应用于对不同地质历史时期古环境的重建^{[5, 46]}。

2014年，改进的色谱分离方法实现了对brGDGTs化合物的C₅-甲基与C₆-甲基同分异构体的分离。De Jonge等^[49]发现C₅-甲基-brGDGTs主要受温度控制，而C₆-甲基-brGDGTs分布受pH影响。于是，De Jonge等^[49]将C₆-甲基化合物从MBT’指标中剔除，建立了MBT’_5ME指标与温度的全球校正公式。该校正剔除了pH对MBT指标的影响，使得重建的温度更为准确。而将C₆-甲基化合物融入CBT指标后，建立的CBT’新指标能够更好地反映土壤pH，并得到更广泛应用^{[5, 49]}。

而随着研究的深入，研究者发现不同环境中影响brGDGTs分布的因素非常复杂。不仅温度与土壤pH，季节性温度、土壤含水率、降雨量、土壤电导率(盐度)、植被等环境因素也控制brGDGTs分布，进而影响MBT、CBT指标的应用^[50–51]。另一方面，一些研究提出由环境变化驱动的细菌群落变化同样能够影响brGDGTs的分布，并对brGDGTs指标响应环境变化的生理基础产生质疑^[52–53]。但由于尚未发现生物源，brGDGTs指标与环境因素之间的关系一直难以得到生理实验的验证。

brGDGTs生物源问题也是困扰生物有机地球化学领域二十多年的科学难题。一些研究通过环境样品中群落与brGDGTs的关系推测可能产生这些化合物的细菌。酸杆菌被认为是陆地环境中brGDGTs化合物的潜在生物源之一^[54–55]。因为酸杆菌是陆地环境中分布最广泛的细菌之一，同时酸性土壤或泥炭中酸杆菌的高丰度与brGDGTs高含量相吻合^[54–55]。但随着测序技术的发展，对生物源的推测也由单一门类拓展到多个门类，特别是在碱性、缺氧、高温等不适合酸杆菌生长的环境^[56–58]。而另一些研究，通过原位、实验室富集培养或者稳定同位素标记实验，推测出brGDGTs生物源的特性，比如可能是异养代谢型、好氧或兼性厌氧的细菌^[58–60]。而针对纯培养菌株的脂类研究从46株酸杆菌中鉴定出2株菌，能产生少量的brGDGT-Ia化合物，包括Edaphobacter aggregans Wbg-1与Acidobacteriaceae strain A2-4c；并推测出长链二酸作为前体的合成途径^[61]。最新的一项研究发现，降低氧气浓度能激发E. aggregans合成更多的brGDGT-Ia^[62]。于是研究者推测brGDGTs的合成可能需要类似氧气限制这样的触发条件^[62]，但仍未发现E. aggregans合成带有五元环或多个甲基的brGDGTs化合物。

古菌Tes蛋白的发现与鉴定对寻找细菌brGDGTs化合物的生物来源提供了新的线索。Zeng等^[11]通过比对蛋白序列，发现Tes同源蛋白广泛分布于许多门类的细菌基因组。由于细菌brGDGTs与古菌isoGDGTs化学结构相似，Zeng等^[11]推测细菌brGDGTs的合成途径可能与古菌isoGDGTs类似，即都由二醚缩合的方式形成四醚，而细菌的Tes同源蛋白则发挥了关键作用。随后，Chen等^[29]利用Tes同源蛋白序列鉴定出合成brGDGTs的一个酸杆菌菌株——Candidatus Solibacter usitatus Ellin6076。该菌分离自酸性农场土壤，属于革兰氏阴性菌、酸杆菌门亚类3 (Acidobacteria subdivision 3)，是好氧细菌且进行异养代谢^[63–64]。这些都符合之前研究对brGDGTs生物源的推测^[58–60]。除了Tes同源蛋白，这株菌还含有Grs的同源蛋白。通过脂类分析发现Ca. Solibacter usitatus能够合成brGDGTs-Ia、Ib、Ic、IIa、IIb、IIc、IIIa等常规的brGDGTs化合物以及与合成相关的多种衍生物，包括isoC₁₅-DGE、brGTGTs以及IPL-brGDGTs等^[29–30]。而且brGDGTs总含量占细胞可定量总脂的66%，是Ca. Solibacter usitatus细胞膜的主要成分^[29]，远高于之前报道的brGDGTs占E. aggregans细胞总脂3%左右的结果^{[62, 65]}。

纯培养生物源的发现有助于我们直接通过生理实验观测brGDGTs的甲基化与环化程度对不同环境因素的响应过程。Chen等^[29]发现，Ca. Solibacter usitatus纯培养中brGDGTs的甲基化程度与MBT’_5ME指标主要受温度控制，在10–25 ℃范围内与温度呈现显著的线性正相关性，并且与全球土壤的变化趋势一致。这说明brGDGTs生物源确实通过改变甲基化程度的方式调节细胞膜的流动性以适应温度的变化。温度越高，甲基个数越少，MBT’_5ME指标数值越高，说明MBT’_5ME指标代表了细胞膜的适应性。但斜率存在差异，纯培养校正公式的斜率更高。其中的一个原因可能是自然环境中不同生物源的响应模式不同，导致全球校正公式的斜率相对于纯培养更加平缓。另一原因可能是MBT’_5ME指标记录的是生长季节温度；特别是在低温、季节性温度差异大的环境中，这种效应更加明显。而表示环化程度的CBT_5ME指标受到多种环境因素的影响(温度、pH和氧气浓度)，并在pH 5.0–6.5范围内与pH呈现出正相关的线性关系，与全球土壤的结果完全相反^[29]。Ca. Solibacter usitatus的生长pH范围比较小(4.5–6.5)，而brGDGTs在pH 7–8的碱性土壤中也广泛分布；说明在不同pH环境中存在不同种类的生物源。因此，CBT_5ME与pH的关系可能不仅代表了生物源个体的细胞膜的适应性，也反映了生物源的群落结构变化。

在纯培养中观测的结果证实了MBT’_5ME指标确实是一个非常好的古温度计。但Ca. Solibacter usitatus在低于10 ℃、高于30 ℃条件下几乎不生长，而且MBT’_5ME数值在25 ℃已经接近上限1.00，因此MBT’_5ME的应用范围为10–25 ℃。另一方面，CBT指标可能是生物源的生理特性与群落更替的综合结果。然而，目前还未发现其他生物源，并不清楚生物源群落与pH之间的关系，因此CBT指标的应用需要更加谨慎。由此可见，古菌与细菌GDGTs合成机制的解析将为环境中GDGTs来源的判断、响应环境变化的机制以及指标的构建带来重要的启示意义。

3 结语与展望

综上所述，在微生物学、分子生物学、生物信息学、有机地球化学等多学科的交叉融合下，古菌与细菌GDGTs的生物合成研究在近几年取得了一些重要的进展。这些成果为脂类标志物的地学应用提供了可靠的生物学基础和新的研究思路。我们认为GDGTs研究领域未来重要的研究方向主要有2个：(1) 继续探索和发现未知的GDGTs合成机制。古菌isoGDGTs还存在许多衍生结构，例如带有六元环的crenarchaeol(’)、带有羟基的化合物(hydroxylated isoGDGTs，OH-isoGDGTs)、含有不同个数甲基的化合物(methylated isoGDGTs，Me-isoGDGTs)以及2条类异戊二烯链间交叉互连的H型化合物(H-shaped isoGDGTs，H-isoGDGTs)等(图 1A)。细菌brGDGTs的结构多样性也非常高。除了常规的brGDGTs，最近的研究也发现了许多类似古菌isoGDGTs衍生结构的brGDGTs衍生物，例如H-brGDGTs、带有额外多个甲基的化合物(overly branched GDGTs，OB-GDGTs)以及甲基个数少于brGDGT-Ia的化合物(sparsely branched GDGTs，SB-GDGTs) (图 1B)。这些古菌和细菌的GDGTs衍生物也具有成为生物标志物的潜力，但它们的合成基因尚待研究发现。其次，细菌brGDGTs生物合成机制中的关键基因尚未得到鉴定和证实，留有巨大的研究空白，是目前学术界激烈竞争的高地。(2) 将GDGTs的生物合成机理应用到有机地球化学指标的开发与改进，解析地球科学重要现象。基于实验室发现的生物学机理，与多时空因素共同作用造就的地质现象之间具有明显的鸿沟，这也是生物标志物研究的重要挑战。跨越鸿沟需要从生物机理研究和地质样品分析这2个方向相向努力：以生物机理为理论基础，指导生物介导的地质现象的解释；反之，地质现象亦可促进相关生物实验的设计，揭示新的生物机理。通过分子生物学，地质学和有机地球化学等多学科交叉融合的迭代研究，必将GDGTs这一重要生物标志物的科学价值推向新的高度。

致谢

感谢南方科技大学郑峰峰、杨威、徐步、李雅楠对本论文写作提出的建议。