疣微菌在低等木食性白蚁肠道内的生理作用与功能研究

Bacteria in the phylum Verrucomicrobia are ubiquitous in various environments such as soil and lake waters. Some of them are symbionts of eukaryotes. However, very few knowledge about their ecological functions has been reported due to the difficulties of cultivation. Verrucomicrobia are found in the intestinal tracts of many wood-feeding termites, whereas our understanding to their physiological functions is very scarce. In this project, we will take the Verrucomicrobia strain TSB47 that we isolated from Reticulitermes chinensis as a model organism to investigate its oxygen tolerance, the ability of cellulose degradation and nitrogen fixation, the biochemical and physiological characteristics and metabolic mechanisms based on the analysis of the whole genome of this strain. We will analyze the relative abundance of Verrucomicrobia in the guts of two wood-feeding lower termites, R. chinensis and Coptotermes formosanus using quantitative real time PCR and localize verrucomicrobia in the intestinal tracts of the guts of the two termites with fluorescence in situ hybridization. Combined with the comparative studies of transcriptomes of verrucomicrobia growing in different conditions and the diversity analysis of Verrucomicrobia of these two termites, we will try to investigate the physiological functions and metabolic pathways of Verrucomicrobia in the intestinal tracts of wood-feeding lower termites. The results of the study will not only illustrate the symbiotic relationship and mechanisms between Verrucomicrobia and wood-feeding termites, but also enrich our understanding of ecological impacts of Verrucomicrobia in nature, which makes great significance in science.

疣微菌门细菌广泛存在于土壤和湖泊水体等多种环境，有些种类与真核生物共生。由于所获得的纯培养株很少，迄今为止人们对这类细菌的认识很有限。疣微菌在木食性白蚁肠道内普遍存在，但有关其生理作用与功能的研究鲜见报道。本项目以从黑胸散白蚁得到的疣微菌分离株TSB47为对象，在深入解析其全基因组信息的基础上，针对性地研究其耐氧性、纤维素降解活性、固氮活性、生理生化特性和代谢机理；应用荧光定量PCR和荧光原位杂交等技术分析疣微菌在黑胸散白蚁和台湾乳白蚁等两种低等木食性白蚁共生细菌菌群中的相对丰度和在肠道微生态环境中的分布特点，结合对不同条件下生长的疣微菌转录组的比较研究及两种白蚁中疣微菌的多样性分析，探讨疣微菌在低等木食性白蚁肠道中的生理作用和代谢机理。通过本项目的研究不仅能解析疣微菌与木食性白蚁的共生关系与共生机制，也能丰富我们对自然界疣微菌门细菌生态功能的认识，具有重要的科学意义。

疣微菌门细菌广泛存在于土壤和湖泊水体等多种环境，由于所获得的纯培养株很少，迄今为止人们对这类细菌的认识非常有限。疣微菌在木食性白蚁肠道内普遍存在，但有关其生理作用与功能的研究鲜见报道。本项目对从黑胸散白蚁分离得到的疣微菌新菌株TSB47进行了深入研究，取得的主要成果如下：1. 阐明了疣微菌分离株 TSB47 生理生化特性与代谢机理。疣微菌TSB47为革兰氏阴性菌，球状，菌细胞表面长有一到多个疣突，直径0.5–0.8 μm，单个或成对存在。TSB47是兼性厌氧菌，主要脂肪酸为Anteiso C15:0（37.56%），C16:0（33.21%）和Anteiso C17:0（12.36%），呼吸醌类型为MK-7。多相分类学方法鉴定出该菌为疣微菌属的一个新种。2. 筛选到一个具有较强应用价值的木聚糖酶。对疣微菌TBS47基因组中多种木质纤维素酶进行了原核表达和活性分析，筛选到一个具有较高活性和较强温度、pH适应性的木聚糖酶TmXyn1，已申请专利并获得授权（专利号：ZL201510776610.5）。3. 初步阐明了疣微菌TSB47的固氮机制。菌株TBS47在不同氧分压下均可以生长，表现出对肠道微环境的适应性。15N同位素标记实验表明该菌在厌氧条件下有固氮活性。将该菌接种于不含氮源，有钼和无钼的培养基上生长，以含氮源培养基为对照，转录组数据分析表明，在无氮源存在的情况下，TSB47的两条固氮通路都被激活，可同时合成钼铁固氮酶和铁铁固氮酶进行固氮反应，支持菌株的生长，而钼铁固氮是该菌固氮的主要途径。4. 明确了疣微菌在两种低等白蚁中的丰度与定位。黑胸散白蚁和台湾乳白蚁肠道内均有疣微菌，黑胸散白蚁疣微菌种类较多，但台湾乳白蚁肠道内疣微菌在菌群中占比较高，疣微菌主要分布在鞭毛虫中。本研究首次对分离自木食性白蚁肠道中的一株疣微菌新种进行了固氮活性与机制的研究，初步阐明了该菌在白蚁肠道微环境中固氮的机制，解析了普遍存在于木食性白蚁肠道中的疣微菌在白蚁获取氮源方面的重要功能，对进一步探讨肠道微生物与宿主的共生机制具有重要的理论意义和科学价值。