海洋极地杆菌的适冷生态型分化的研究

论文摘要

海洋异养细菌是海洋有机物的主要消费者,拟杆菌门（Bacteroidetes）是海洋异养细菌三大类群之一,广泛分布于各种海洋环境。拟杆菌门的黄杆菌类群（Flavobacteria）拥有超过140个种,多样性丰富,在冷水、上升流、近岸海水和藻华海水中有非常高的丰度,通常具有降解高分子有机物的能力,被认为是降解浮游植物分泌的多糖的主要承担者,在全球碳循环中发挥着关键作用。黄杆菌群落组成中,极地杆菌属（Polaribbacter genus）是优势类群之一。极地杆菌分布广泛,特别是在冷水和藻华爆发后的海水有非常高的丰度。过去的研究基于16S rRNA基因序列相似性和原位检测技术,推测极地杆菌属内分化出了适应冷水和温水的种系型,且适应冷水的种系型居多,是高纬度海水中的优势类群,适冷类型的适宜温度为10℃以下。众所周知,71%的地球被海水覆盖,其中90%的海水温度低于5℃意味着地球的大部分生态环境处于低温环境。因此,探究极地杆菌对低温的适应机制有利于我们认识和理解全球海洋微生物的多样性和分布规律。然而,目前极地杆菌属仅有27个全基因组,对其成为冷水中优势类群的适应机制的研究也很少。本文利用单细胞基因组测序技术得到缅因湾表层海水和南极表层海水11个极地杆菌单细胞基因组,结合公共数据库中能搜索到的全球黄杆菌和极地杆菌的序列（宏基因组、16S rRNA基因克隆文库和极地杆菌全基因组序列）进行生物信息学分析,并利用比较转录组学方法比较了三株典型极地杆菌适应低温的能力,主要的研究结果如下:（1）利用公共数据库（NCBI,EMBL,iMicrobe）中宏基因组序列和16S rRNA基因克隆文库序列,描述了黄杆菌和极地杆菌在全球表层海水的分布状况和特点:黄杆菌广泛分布于全球表层海水,在高纬度和近岸海水的相对丰度可达到总浮游细菌的64%,而极地杆菌主要分布在高纬度表层海水,是高纬度海水中黄杆菌的优势类群,具有偏好冷水的特点。该部分研究结果与前人的研究结果一致。（2）利用单细胞基因组测序技术,本研究从美国缅因湾和南极洲表层海水分离得到了 11个极地杆菌单细胞基因组,补充了现有的27个已发表的极地杆菌全基因组,通过构建当前相对完整的极地杆菌系统发育树,本文发现了极地杆菌属内来自冷水的种系型group I。接着通过比较group I与其他极地杆菌在全球表层海水的分布特点,验证了 group I是极地杆菌属的适冷生态型,揭示了极地杆菌属内存在适冷生态型分化的现象。（3）通过比较三株典型极地杆菌在短期冷胁迫（72小时0℃）和长期冷胁迫（30天0℃）的转录组变化差异,描述它们对低温的适应机制。研究表明适冷生态型group I的代表菌株Polaribacter zirgensii 23-P能够在长期低温环境中保持与较高温度（最适温度）相似的转录水平,说明尸irgensii对低温的适应能力较强。而属于groupIVa的P.filamentus受到短期和长期冷肋胁迫的转录组变化趋势类似,表明经过长期低温培养后的尸filamentus可能仍然处于适应低温的前期阶段:属于grroup Ⅲa的P.sejongensis对短期冷胁迫不敏感,但在长期低温胁迫下生理代谢过程被显著抑制。因此,本研究认为适冷生态型对长期低温较强的适应能力促使其成为高纬度海水中极地杆菌的优势类群。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 海洋黄杆菌概述
•   1.2 极地杆菌概述
•   1.3 适冷微生物适应低温的生理机制
•   1.4 单细胞基因组学
•   1.5 本文主要的研究内容、目的和意义
• 第2章 海洋极地杆菌的适冷生态型分化
•   2.1 前言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 单细胞样品的采集和处理
•     2.2.2 基因组分析
•     2.2.3 全球表层海水黄杆菌和极地杆菌相对丰度的评估
•       2.2.3.1 公共数据库宏基因组序列的处理方法
•       2.2.3.2 16S rRNA基因克隆文库序列的处理方法
•       2.2.3.3 不同group的划分
•   2.3 实验结果与讨论
•     2.3.1 基因组分析
•     2.3.2 黄杆菌和极地杆菌在全球表层海水的分布特点
•     2.3.3 极地杆菌的适冷生态型分化
•   2.4 小结
• 第3章 比较转录组学分析三株典型海洋极地杆菌的适冷机制
•   3.1 前言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 菌株培养和生长曲线的测定
•     3.2.2 RNA样品制备与RNA提取
•     3.2.3 RNA-seq高通量测序实验
•     3.2.4 数据处理
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 菌株在不同温度下的生长特征
•     3.3.2 RNA样品的质检结果
•     3.3.3 RNA-seq高通量测序结果概况
•       3.3.3.1 测序结果质量分析
•       3.3.3.2 显著差异表达基因概况
•     3.3.4 与适应低温相关的代谢过程
•       3.3.4.1 氨基酸合成和代谢
•       3.3.4.2 细胞膜脂类组成
•       3.3.4.3 翻译
•       3.3.4.4 转录和信号转导
•       3.3.4.5 DNA复制、重组和修复
•       3.3.4.6 氧化应激反应
•       3.3.4.7 分子伴侣和蛋白酶
•       3.3.4.8 能量代谢和碳代谢
•       3.3.4.9 转运蛋白
•       3.3.4.10 其他可能参与适应低温的基因
•     3.3.5 小结
•       3.3.5.1 P.irgensii适应寒冷的机制
•       3.3.5.2 P.filamentus适应寒冷的机制
•       3.3.5.3 P.sejongensis适应寒冷的机制
• 第4章 本论文的主要结论、创新点、不足与展望
•   4.1 主要结论
•   4.2 创新点
•   4.3 不足之处
•   4.4 研究展望
• 附录
•   附录一 27个RNA样品reads过滤信息统计表
•   附录二 去除核糖体序列的reads比对上reference genomes统计表
•   附录三 三株极地杆菌在短期和长期冷胁迫中发生显著变化的相关过程的细胞模式图
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭伟芸

导师: 张瑶

关键词: 海洋,黄杆菌,极地杆菌,适冷生态型分化,适冷机制

来源: 厦门大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 厦门大学

分类号: Q938.8

总页数: 109

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