水稻土互营产甲烷的细胞团聚体胞外DNA功能研究

The formation of cell aggregates plays an important role in the syntrophic methanogenesis. Extracellular DNA (eDNA) is one of the most important composition in extracellular polymeric substances (EPS). Due to the specific function of eDNA in the cell aggregates, eDNA has mostly been studied in clinically relevant stains, while studies of eDNA in the environmental isolates, archaea and syntrophic methanogens are sparse. In this project, the new technology like microfluidics, dynamic microbial imaging and multiple fluorochrome staining coupled to 3D microscopy and image analysis will be used to systematically evaluate the role of eDNA in the syntrophic methanogenic cell aggregates from paddy soil. To achieve the objectives, four research plans are designed: (1) to study the composition of EPS, and ascertain the eDNA is ubiquitous in the syntrophic methanogenic cell aggregates; (2) to study the spatial distribution of EPS ; (3) to study the effect of eDNA to the methane production by the DNase I addition experiments; (4) to research the effect of eDNA to cell migration, cell aggregate expansion and the process of cell aggregation by using the microfluidics technology. We expect the outcomes of this project will provide a new idea for understanding the mechanisms of cell aggregates in the syntrophic methanogenesis, and provide theoretical basis for the emission reduction of methane and high efficiency production of biogas (methane).

细胞团聚体结构在微生物互营产甲烷中发挥着重要作用。由于胞外的脱氧核糖核苷酸（Extracellular DNA, eDNA）在细胞团聚体中具有独特的功能，使其成为目前国内外细胞团聚体研究的热点之一。但是eDNA在古菌或互营产甲烷细胞团聚体中的功能研究仍然不足。本项目以水稻土丁酸氧化互营产甲烷细胞团聚体为研究对象，采用多重荧光染色、3D图像构建、微流控技术、活细胞监控技术等先进技术手段，主要研究：1、互营产甲烷细胞团聚体的胞外聚合物（EPS）组成，并重点关注eDNA的含量与形态；2、eDNA及EPS其他组分在细胞团聚体中的空间分布；3、eDNA对底物降解及产甲烷速率的影响；4、eDNA对细胞运动、团聚体生长及细胞聚集过程等的影响。最终系统阐明eDNA在互营产甲烷细胞团聚体中的功能与重要性。预计成果可为互营产甲烷细胞团聚体的形成机制研究提供新的思路，为农田水稻甲烷减排提供理论支撑。

胞外DNA是生物膜形成的重要胞外聚合物。但是胞外DNA在古菌或者互营产甲烷细胞团聚体中的功能及重要性研究依然不足。本项目以丁酸氧化互营产甲烷细胞团聚体为研究对象，探索胞外DNA在细胞互营产甲烷过程中的作用与重要性。结果表明，胞外DNA的数量、形态及空间分布在细胞生长不同阶段呈现不同的规律。在细胞生长前期，胞外DNA呈长丝状。长丝状的胞外DNA将分散的细胞及小细胞团聚体连接起来，形成网状结构。细胞生长中后期长丝状的胞外DNA消失，大细胞团聚体形成，胞外DNA呈现斑块状分布于细胞团聚体中。在生长前期加入DNA降解酶（DNase I），长丝状结构消失；而在生长中后期加入DNA降解酶后，细胞团聚体的斑块状胞外DNA依然存在。另外我们的结果表明在细胞生长前期添加DNA降解酶后，甲烷的产生受到抑制；而在细胞生长中期添加DNA降解酶，甲烷的产生没有影响。我们的对照实验表明DNA降解酶添加对产甲烷古菌Methanosarcina mazei的甲烷产生及细胞活性没有影响。本项目的结果表明互营产甲烷过程中被动或者主动释放大量的胞外DNA，而这些胞外DNA在细胞的互营过程中具有重要作用，可能在胞外直接电子传递、细胞团聚体形成、细胞运动方向引导等方面发挥功效。本项目的研究成果为继续深入研究互营产甲烷过程及种间信号传递提供新的研究方向。