基于DNA-稳定同位素探针对腾冲酸性温泉甲烷氧化菌群的宏基因组学研究

Thermoacidophilic methanotrophs have become research hotpot due to their special living condition and their particular acclimatization mechanisms. In this project, taking methanotrophs of acidic hot spring of Tengchong as the object of study, we will measure the activity of methane oxidation and isolate the methanotrophs from the environment samples; Interesting isolates will be subjected for full genome sequencing, genome reconstruction and analyzing to unravel their metabolic pathway and acclimatization mechanism toward the extreme environment. Then, DNA-SIP, metagenomics and functional microarray will be adopted to study the microbial community structure and function of aerobic and anaerobic methanotrophs in acidic hot spring samples to make clear of the evolutional history of these methanotrophs. The possible metabolic pathways of anaerobic methnaotrophs will also be investigated to find feasible strategies for the isolation of anaerobic methnaotrophs. This project will help to furtherly unravel the mechanisms of Metabolic Regulation of thermoacidophilic methanotrophs under extreme condition, and also be invaluable in scientific research and potential application with regard to understanding the microbial diversity of thermoacidophilic methanotrophs and exploring the pool of particular functional genes.

嗜热嗜酸甲烷氧化菌基于其生存环境的特异性以及对极端环境的特殊适应机制，成为近年来研究的热点。课题拟以滇西腾冲酸性温泉的甲烷氧化菌为对象，测定其甲烷氧化活性，并对嗜热嗜酸甲烷氧化菌进行分离培养，对筛选到的全新菌种进行全基因组测序及分析，从分子水平揭示嗜热嗜酸甲烷氧化菌的代谢途径以及极端环境适应机制；采用稳定同位素探针（DNA-SIP）、宏基因组学、功能基因芯片等技术，从分子水平上解析腾冲酸性温泉好氧及厌氧样品中甲烷氧化菌的群落结构与功能，阐明嗜热嗜酸甲烷氧化菌的系统进化关系，揭示嗜热嗜酸好氧、厌氧甲烷氧化菌的代谢途径，为目前尚未能纯化培养的厌氧甲烷氧化菌提供可能的纯化培养技术策略。本课题的开展实施，将在分子水平上揭示嗜热嗜酸甲烷氧化菌在极端环境下的代谢调控机制，对深入认识嗜热嗜酸甲烷氧化菌的微生物多样性、开发我国极端微生物的特殊功能基因资源等方面具有重要的科学研究意义和潜在应用研究价值。

滇西腾冲温泉蕴藏着丰富的极端微生物资源，对于开发我国极端微生物的特殊功能基因资源等方面具有重要科学研究意义和潜在应用研究价值。本课题采用宏基因组学先进技术从分子水平研究了该典型温泉区的微生物多样性，探明了其中的甲烷氧化菌类群，全面掌握了嗜热嗜酸甲烷氧化菌的信息。研究共采集57个样品，具有广泛的覆盖度，温度30℃到95℃不等，pH值1.8到9.8不等。研究发现腾冲温泉存在耐高温的丰富的甲烷氧化微生物。基于16S rDNA的Illumina Miseq高通量测序分析表明，在腾冲温泉检测到I型甲烷氧化菌中的Methylobacter、Methylomonas、Methylomicrobium、Methylosoma、Methylovulum、Methylomarinum、Methylogaea、Methyloparacoccus、Methylococcus、Methylocaldum10个属及II 型中的Methylocystis属；另有未确定到属的13个OTU，经逐条比对与甲烷氧化菌有较高的相似度，新增与II 型甲烷氧化菌Methylocapsa、Methylocella和Methylosinus相似度高的OTU，这32个OTU在各样品的丰度从0到约0.11%不等，表明腾冲温泉具有较高的甲烷氧化菌多样性。所采集样品中未检测到Methylosphaera, Methyloglobulus, Methyloprofundus, Methylothermus、Methylohalobius及Methyloferula。未检测到疣微菌门的Methylokorus、Acidimethylosilex及Methyloacida。此外，未检测到厌氧甲烷氧化古菌ANME-1、ANME-3、ANME-2a、ANME-2b、ANME-2c或ANME-2d，未检测到厌氧甲烷氧化细菌Candidatus Methylomirabilis oxyfera。在此基础上课题进一步阐明了腾冲甲烷氧化菌的系统进化关系。课题探索了嗜热嗜酸微生物纯化培养技术策略，开发了基于微流控芯片技术的嗜热微生物高效分离培养关键技术，并成功分离培养了多种嗜热菌种，一定程度上突破了极端微生物分离培养难的难题，并为后续极端嗜热微生物菌种的研究及微生物资源的开发奠定了基础。