深海厌氧微生物的分离培养及一株黏胶球形菌多糖代谢机制研究
海洋大约占地球总表面积的71%以上，且75%的海域都属于深海（＞1,000m），其中蕴藏着冷泉、热液等极端生境。由于深海环境特殊，深海样品采集困难，实验室分离培养技术受限，因此只有1%的深海微生物被纯培养，这些微生物被称为“难培养微生物”。现阶段，关于深海难培养微生物的生理生化特征、代谢途径研究甚少，因此突破分离培养技术瓶颈，扩充未培养微生物资源，不仅能够加强人们对深海难培养微生物特性和代谢机制的理解，同时开拓了我们对深海微生物多样性及其可能参与的生态学过程的认知。 本研究利用“科学号”科考船2018年作业期间获得的的深海沉积物样品，基于物质代谢驱动的分离策略成功地从深海沉积物中纯培养了50株厌氧细菌，包括4株潜在新种：其中两株潜在新种分别属于放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）；一株潜在新属代表菌株，属于厚壁菌门（Firmicutes）；一株潜在新科代表菌株，属于黏胶球形菌门（Lentisphaerae）。同时，以上述分离培养得到的黏胶球形菌（菌株zth2）为研究对象，利用分子生物学方法、透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope,TEM）观察以及转录组学测序等技术手段，对其生理生化特性展开了系统研究，并初步揭示了该菌株代谢利用多糖的机制。 本研究基于多糖代谢驱动的策略从南海冷泉沉积物中成功地分离出一株黏胶球形菌（菌株zth2），并通过分类学方法鉴定其为潜在新科代表菌株。研究发现紫菜多糖、卡拉胶、石莼多糖、淀粉和昆布多糖均可促进菌株zth2的生长，其中昆布多糖和淀粉的效果尤为突出，这表明菌株zth2可能具备较强的代谢多糖的能力。为进一步探究菌株zth2代谢多糖的机制，本论文进行了转录组学分析，结果显示，当在培养基中添加昆布多糖或淀粉时，大量编码糖苷水解酶（淀粉酶、糖基水解酶、糖基转移酶和葡聚糖酶）的基因表达水平显著上调。同时，转录组结果显示与能量产生相关的基因表达水平也显著上调，这一结果表明菌株zth2确实能够通过代谢利用多糖获得生长所需能量进而加快生长速度。此外，当在培养基中添加两种多糖时，许多与磷和铁代谢相关的基因表达水平也发生了明显上调，包括磷酸腺苷磷酸硫酸盐还原酶、磷转运系统调控蛋白、铁硫结合蛋白等，该结果表明菌株zth2对多糖的利用可能同时促进了磷和铁的代谢。为验证这一推论，本论文在培养基中添加磷酸盐（Na3PO4或Ca3(PO4)2）和Fe2+（FeSO4）并监测菌株zth2的生长，结果显示菌株zth2在可溶性磷酸盐（Na3PO4）和FeSO4都存在的条件下生长状况最佳。转录组数据分析发现，在培养基中添加Na3PO4和FeSO4与仅添加FeSO4相比，与能量产生相关的基因表达水平发生了显著上调，且大量与铁代谢和多糖降解相关的基因表达水平也明显上调，这表明添加可溶性磷酸盐可能促进了铁元素代谢和多糖降解。而在培养基中缺乏FeSO4时，会削弱磷酸盐、铁元素和多糖的代谢，最终影响了能量的生成。以上结果表明，三种物质的代谢之间存在着偶联关系，这也提醒我们关注黏胶球形菌可能对深海碳、磷和铁元素的生物地球化学循环具有潜在的驱动作用。此外，本论文在实验室进行了模拟海洋自然环境的实验并进行了海洋微生物操作分类单元（operationaltaxonomicunits,OTUs）分析，结果显示菌株zth2通过代谢多糖或其它物质可以丰富周围环境微生物的多样性，这为研究黏胶球形菌的生态学功能提供了更多的数据支持。 综上所述，本论文利用物质代谢驱动策略，从深海沉积物样品中分离培养获得了一些微生物的纯培养物，包括一株难培养微生物——黏胶球形菌，并首次在实验室条件下研究了黏胶球形菌代谢多糖的机制，且发现多糖的代谢与磷、铁的代谢相偶联。本研究为深海微生物菌株资源获取和物质代谢机制研究提供了实验材料和独特视角。
深海厌氧微生物;黏胶球形菌;多糖代谢;生态动能
青岛大学
硕士
微生物学
李荣贵;孙超岷
2022
中文
Q178.533
2023-02-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）