云南高温热泉嗜热古菌碳氮硫元素代谢机制的研究

Hotspring is a kind of high-temperature water environment, which is rich in reducing chemicals. There is a large number of thermophilic microorganisms in hotspring, especially the thermophilic archaea which are dominated in this environment. So the investigation on microbial community structure of hotspring, especially on carbon, nitrogen and sulfur metabolism process of thermophilic archaea, will reveal the role of thermophilic archaea in the cycle of geochemical elements in the hotsprings. In this project, chemical composition of hot spring waters and sediments, as well as microbial community composition will be systematically studied by geochemical and environmental microbiology studying methods. The dynamics between carbon, nitrogen and sulfur metabolism and microbial community changes will be analysed. The draft genomes of thermophilic archaea dominated in the hotsprings will be annoted by metagenomic sequencing and single-cell sequencing, and the carbon, nitrogen and sulfur metabolism pathways will be analysed. In situ chip enrichment will be employed to isolate pure microbial strains for complete genome mapping. Finally, enriched cell culture or isolated pure strains are used in microcosm experiments which mimics hotspring environments to study the process of carbon, nitrogen and sulfur metabolism. Finally, the carbon, nitrogen and sulfur metabolism mechanims by thermophilic archaea in hotsprings will be reveals by above studies.

热泉是一种富含还原性化学成分的高温地质水环境，具有与地球早期地质条件相似的特点。高温热泉中孕育有大量嗜热微生物，特别是嗜热古菌在其中占优势地位。因此研究高温热泉微生物的群落结构，特别是嗜热古菌菌群及其协同完成的碳氮硫元素代谢过程，有利于我们揭示热泉微生物在地球化学元素循环中的作用。本项目以云南高温热泉为研究对象，采用地质化学和环境微生物学的技术手段，系统地分析热泉泉水和沉积物中化学成分组成、微生物群落组成；研究碳氮硫元素变化与微生物群落消长规律。并采用宏基因组和单细胞测序技术绘制热泉中优势嗜热古菌的全基因组草图、分析其碳氮硫代谢途径；采用原位芯片富集培养技术分离纯培养菌株、绘制其基因组完整图；采用微宇宙技术研究富集和纯培养微生物在模拟热泉环境中碳氮硫代谢的过程，最终揭示嗜热古菌在高温热泉中碳氮硫元素代谢循环的机制。

云南腾冲地区高温热泉众多，为我们提供了良好的极端生境微生物生长代谢机制的研究材料。同时，腾冲热泉富含病毒（噬菌体），研究热泉微生物与病毒的互作机制具有重要意义。.项目组采集云南腾冲热泉的水样和沉积物，通过宏基因组深度测序，拼接组装得到162个高质量的基因组，包括97个古菌（12个门），65个细菌（16个门）基因组。其中Aquificota、Crenarchaeota等在热泉中丰度最高。（Zhang et al., unpublished）。古菌比细菌编码更多的CAZymes。Aquificota和Crenarchaeota编码了大多数glycoside hydrolases（GH）；几乎所有的菌株都编码GH13、GH23、GH57。其中，GH23可能参与维持细胞壁的稳定，从而在维持热泉微生物群落中起重要作用。碳固定途径Reductive Citrate Cycle存在于大部分的细菌和古菌中，几乎所有的细菌都存在Reductive Acetyl-CoA Pathway。只在两个bins中鉴定到nifDHK，在所有bins中都不存在完整的氮代谢途径，表明热泉微生物氮元素的摄入可能是由微生物间分工合作完成的。Aquificota编码了较为完整的硫代硫酸盐利用途径（SOX system）；Proteobacteria编码硫酸盐等硫化物转运基因（cysAUW，ssuA/ssuD），古菌中只鉴定到少量的硫代谢相关基因。.腾冲热泉中富含病毒/噬菌体。项目组发现Csa3b可通过调控适应cas基因表触发对病毒的免疫适应（Ye et al., 2020）。在硫化叶菌中表达病毒编码的cas4基因显著抑制免疫适应并影响PAM识别（Zhang et al., 2019）。该成果既阐述了Cas4家族蛋白对I-A型CRISPR-Cas系统免疫适应的重要性，又首次揭示了免疫适应阶段的anti-CRISPR机制。.项目组分析了Csa3a调控蛋白对CRISPR造成的自靶向DNA损伤修复的调控作用，揭示了Csa3a调控细胞聚集和细胞间DNA传递用于修复基因组DNA损伤的机制，相关成果发表在Nucleic Acids Res杂志上（Liu Z et al., 2020）。该研究首次揭示了CRISPR自靶向切割自身基因组DNA后维持其稳定性的机制。