共聚焦显微拉曼光谱技术在深海偏顶蛤环境适应性机制中的应用

论文摘要

不同于以光合作用为基础进行物质转化和能量流动的沿岸浅海生态体系,深海极端环境存在一种基于化能合成作用的生态系统,其同样孕育着繁茂的生物群落。化能自养微生物作为初级生产者,氧化环境中的硫化氢、甲烷等物质为整个生态系统提供营养物质和能量。深海偏顶蛤（Bathymodiolus platifrons）是深海化能合成生态系统的优势种,也是深海共生体系研究的模式物种,其通过足丝粘附于自生碳酸盐岩等硬质基底,对海洋环境具有广泛适应性。与浅海贻贝通过过滤海水中的浮游生物和颗粒有机物获取食物的方式不同,深海偏顶蛤鳃上皮细胞-特化细胞（bacteriocytes）含有大量的共生菌,这些共生菌利用环境中的甲烷、硫化氢、氢气等为宿主提供绝大部分的能量和营养物质。海洋后生生物与化能自养微生物之间良好的共生关系的建立是深海生物群落维持生命活动的主要原因。然而随着研究的深入,传统技术手段在深海生命过程研究中的不足逐渐凸显,拉曼光谱技术由于其无损的、非接触的原位检测优势,可以提供生物组织、单细胞的分子结构信息、分布特征,为深海生命过程研究打开新的窗户。本文围绕广泛分布于中国南海冷泉区的深海偏顶蛤（Bathymodiolus platifrons）展开研究,利用共聚焦显微拉曼光谱技术对深海偏顶蛤带菌鳃丝、去共生10周的不带菌鳃丝、甲烷氧化菌、去共生10周深海偏顶蛤的不带菌鳃细胞、深海偏顶蛤以及大连小平岛贻贝足组织分别进行拉曼分析,旨在从生物组织和单细胞水平初步探究深海偏顶蛤的共生关系以及贻贝为应对环境所形成的适应机制。基于拉曼光谱数据对比分析得到如下结论:（1）去共生前后的深海偏顶蛤的鳃丝在形态和组分上发生明显变化。形态上带菌鳃丝相对较肥大饱满,中心腔相对集中,去共生不带菌鳃丝较瘦小,中心腔相对分散;组分上去共生前后拉曼信鳃丝的拉曼信号发生明显变化,甲烷氧化菌的拉曼光谱位于749 cm-1具有高强度遗传信息信号,可能作为筛选甲烷氧化菌的标记图谱。（2）去共生的深海偏顶蛤鳃细胞与常见的生物细胞组分以及形态结构基本相似。拉曼谱图表明鳃细胞组分主要由脂质、蛋白质、核酸等组成,分别以位于789 cm-1的DNA特征峰、1006 cm-1苯丙氨酸特征峰、1747 cm-1脂质的特征峰表示细胞核、细胞质、细胞膜,得到鳃细胞的2D拉曼彩色编码图。图像直观地展示了细胞形态结构以及组分分布情况。（3）深海偏顶蛤（Bathymodiolus platifrons）和大连小平岛贻贝（Mytilus edulis）的足丝表观差异是由贻贝足腺体分布特征决定的,是贻贝对环境的适应性表现。表观上深海贝足丝的粗度约为浅海贝的5.7倍,其外皮表面相对粗糙杂乱且粘附盘较大;足腺体分布特征上深海贝足腺体分布相对分散,浅海贝足腺体分布相对集中。足丝是贻贝足内部腺体的外在表现形式,不同海域贻贝足丝的表观差异的内在原因是其足腺体分布特征的差异,是贻贝为应对不同海域环境的适应机制。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景与意义
•   1.2 深海极端环境的特征
•   1.3 深海还能合成生态系统的共生体系特征
•     1.3.1 共生菌的传递方式
•     1.3.2 共生关系建立过程
•     1.3.3 共生体系中能量获取途径
•     1.3.4 共生菌的固碳途径
•   1.4 深海化能合成生态系统
•     1.4.1 深海冷泉活动
•     1.4.2 深海偏顶蛤（Bathymodiolus platifrons）
•   1.5 深海偏顶蛤研究中存在的问题
•   1.6 本文研究内容与目的
•   1.7 本文的创新性
• 第2章 激光共聚焦显微拉曼光谱技术
•   2.1 拉曼散射基本原理及理论解释
•   2.2 拉曼活性选择定则与拉曼光谱技术特点
•   2.3 拉曼光谱仪的发展史
•   2.4 共聚焦显微拉曼光谱仪
•   2.5 拉曼光谱技术与本论文相关的前期应用
• 第3章 材料和实验方法
•   3.1 贻贝样品采集与制备
•     3.1.1 深海贻贝样品的采集、驯化
•     3.1.2 透射电子显微镜样品制备
•     3.1.3 扫描电子显微镜样品制备
•     3.1.4 贻贝组织冷冻切片制备
•     3.1.5 去共生深海偏顶蛤鳃细胞提取
•   3.2 激光共聚焦显微拉曼光谱仪
•     3.2.1 单光谱检测步骤
•     3.2.2 拉曼光谱的共聚焦成像实验步骤
•   3.3 数据处理
•     3.3.1 单个拉曼谱图处理
•     3.3.2 拉曼成像处理
• 第4章 深海偏顶蛤鳃丝的共聚焦显微拉曼光谱分析
•   4.1 深海偏顶蛤带菌鳃丝和去共生不带菌鳃丝的研究意义
•   4.2 深海偏顶蛤带菌鳃丝和去共生不带菌鳃丝的形态分析
•   4.3 深海偏顶蛤鳃丝的共聚焦显微拉曼光谱分析
•     4.3.1 深海偏顶蛤带菌鳃丝的组分检测
•     4.3.2 去共生深海偏顶蛤不带菌鳃丝的组分检测
•     4.3.3 甲烷氧化共生菌的组分检测
•   4.4 结果与讨论
•   4.5 小结
• 第5章 深海偏顶蛤活体鳃细胞结构的无损原位拉曼光谱分析
•   5.1 深海偏顶蛤活体单个鳃细胞的研究意义
•   5.2 单细胞检测装置
•   5.3 去共生深海偏顶蛤单个鳃细胞的拉曼光谱检测
•     5.3.1 去共生深海偏顶蛤单个鳃细胞的成分检测
•     5.3.2 去共生偏顶蛤单个鳃细胞的2D成像
•   5.4 结果与讨论
•   5.5 小结
• 第6章 贻贝足的共聚焦显微拉曼光谱分析
•   6.1 贻贝足和足丝研究意义
•     6.1.1 足丝的形成过程
•     6.1.2 足腺体和足丝组成和作用
•   6.2 深海偏顶蛤和浅海贻贝足丝的扫描电镜表征
•   6.3 两种贻贝足的共聚焦显微拉曼光谱分析
•     6.3.1 两种贻贝组分检测
•     6.3.2 两种贻贝组分分布特征对比
•   6.4 贻贝足腺体分布特征和足丝特征与环境的关系
•   6.5 小结
• 第7章 结论和展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 梁政委

导师: 张鑫

关键词: 化能合成生态系统,共聚焦显微拉曼光谱仪,共生关系,环境适应机制

来源: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

分类号: Q958.8

总页数: 76

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