耐盐粘球菌适应海洋生境的功能基因网分析

粘细菌是一类高等原核生物，以其复杂的群居生活史和丰富的次级代谢产物而著称，具有迄今最大的原核生物基因组，是进化研究的重要模式生物。典型粘细菌为陆生菌。前期研究中，我们从海洋环境中分离到一株海洋耐盐粘细菌HW-1。HW-1在淡水和海水条件下分别表现出陆生粘细菌的复杂生活史和海洋粘细菌的简单生活史。海洋耐盐粘细菌的研究对于粘细菌对海洋的适应进化研究具有重要意义。目前，HW-1菌株基因组精细图的绘制与注释分析工作已经完成。本项目拟在前期工作的基础上，借助生物芯片技术和基因功能验证分析，研究HW-1在两种生活模式下的基因表达。进一步结合比较基因组数据和信息学分析，揭示HW-1适应海洋环境的分子策略。

粘细菌以复杂群居生活史和丰富次级代谢产物著称，具迄今最大原核基因组，是进化研究模式生物。典型粘细菌为陆生菌。前期我们从海洋环境分离到一株耐盐粘细菌Myxococcus fulvus HW-1。HW-1在淡、海水条件下分别表现出陆生粘细菌复杂生活史和海洋粘细菌简单生活史，成为开展海洋耐盐粘细菌适应性进化研究模式株并受到国际同行关注。本项目启动了HW-1全基因组测序，并进一步开展了淡、海水生境转录组分析，同时对部分适应性进化基因进行功能验证。通过项目实施借助132倍覆盖度的优质数据组装完成了HW-1全基因组图谱绘制，全长9003593 bp，GC含量70.63%，包含7362个编码基因，69个tRNA 基因和3个完整rRNA拷贝。进一步获得HW-1两种生境下转录组数据各1 Gb，解析结果表明74%编码基因在淡、海水模式下表达持平，1220个基因海水模式下显著上调，677个基因淡水模式下显著上调，海水上调基因群约为淡水生境2倍。显著差异数据功能分类解析发现：大部分涉及细胞结构组分、分子功能和生物学过程的差异基因群在淡、海水调节方面存在分工，但每类群海水调用的基因数约为淡水的2倍；KEGG注释揭示海水环境95条代谢通路涉及的664个基因显著上调，淡水环境66条代谢通路涉及的120个基因显著上调；COG注释揭示海水环境启动了20个环境应答受体，19个TPR repeat蛋白上调，淡水环境上调主要涉及聚酮/非核糖体肽合成酶28个；淡、海水环境分别利用磷酸酶和激酶负责蛋白磷酸化状态调节从而控制对应生境代谢通路的开与关；HW-1基因组仅有的8个细胞质膜F-型ATP酶在海水下全体上调，推测该酶负责海水环境中协调胞内外Na+梯度同时合成所需ATP，使HW-1适应海水；海水环境下启用了更多类别分泌系统；细胞周期方面，淡水环境培养物发现了从聚集阶段进入子实体启动阶段的基因上调，而海水环境则发现了从聚集阶段进入生孢阶段的基因上调（它们是改变细胞形状、启动孢子形成和生孢的关键基因），吻合了我们所提出的复杂与简单生活史假说；基因功能验证发现了数据库漏注释的新基因，该基因定位在细胞膜，为子实体形成所必需且耐盐相关。综上，本工作获得HW-1完整基因组谱图，淡、海水生境转录谱和系列关键基因，绘制了淡海水生境调用的局部基因网，并开展了部分功能实验，为绘制HW-1适应海洋环境的全局精细网络奠定了坚实的基础