玫瑰杆菌中参与厌氧代谢的基因在古海洋中的起源和在现代海洋中的维持机制

Members of the Roseobacter clade constitute a monophyletic Alphaproteobacteria lineage with a maximum divergence of 11% in their 16S rRNA gene sequences. They are dominant members in bacterial communities in coastal waters, and in association with phytoplankton, macroalga, and corals. They are major players driving marine carbon and sulfur cycles. Our preliminary analyses showed that all Roseobacter genomes contain abundant genes involved in anaerobic metabolism. We propose to investigate the evolutionary origin of these genes in the context of the paleo-ocean anoxic events in the Mesozoic. We have recently developed a fossil-independent method, which dates evolution based on spontaneous mutation rate, but to date there has been only one Roseobacter strain with known mutation rate. We propose to determine mutation rates in additional Roseobacter isolates and also measure other important parameters including roseobacters’ growth rate in various pelagic environments to constrain the timescale of Roseobacter diversification. The timing information will allow for predictions of evolutionary correlations between rates and patterns of Roseobacter genome changes and oceanic anoxia events in Mesozoic. Although most of the modern ocean regions are enriched with oxygen, some areas such as the oxygen minimum zone are depleted with oxygen. Even in the oxic waters, particles often represent anoxic micro-environments. The recently available large-scale Tara Ocean metagenomic data sets sampled many of these habitats in addition to oxic waters. We propose to use the dN pipeline to assign metagenomic gene fragments to the Roseobacter clade and identify genes that are enriched in each.

玫瑰杆菌作为一个在16S rRNA基因水平上达到11％差异的alpha变形菌纲中的单系分枝，是海洋中丰度很高且驱动碳和硫循环的主要菌群之一。尽管玫瑰杆菌广泛存在于富氧的现代海洋中，所有玫瑰杆菌基因组中均含有大量的参与厌氧代谢的基因。这些基因的起源以及能在以富氧为主的现代海洋中保留下来的机制还未被研究。申请人近期成功开发了基于DNA突变速率来追溯玫瑰杆菌起源与分化的时间，但是目前获得的年代推测只是基于一株玫瑰杆菌的突变速率。申请人项目组将测定另外两株玫瑰杆菌的突变速率。在此基础上，将重构参与厌氧代谢基因的演化史，通过定年来联系中生代海洋的大范围缺氧事件。另外，现代海水虽然以富氧环境为主，但是存在着低氧区和含微氧的颗粒物等微环境。这些环境在Tara Ocean宏基因组项目均有被覆盖到。申请人将通过dN pipeline软件挖掘玫瑰杆菌序列，分析富氧和缺氧环境中富集的基因。

玫瑰杆菌在沿海环境中具有很高丰度，在近岸海水中约占所有微生物的 20%，在表层沉积物中约占 10%。它们还是与海藻和无脊椎动物相关的最丰富的细菌之一。在此，本项目组重点汇报关于远洋玫瑰杆菌和珊瑚相关玫瑰杆菌的两项研究进展。..目前已经报道了多种不同的远洋玫瑰杆菌代表谱系，例如 DC5-80-3、CHAB-I-5、NAC11-7。和其他玫瑰杆菌相比，它们有更小的基因组。此外，它们还携带维生素 B12的合成基因，这使得它们可以和维生素 B12 营养缺陷的真核浮游植物建立共生关系。.我们在沿海水域中分离出八个菌株，它们共同组成一个新的玫瑰杆菌谱系，我们将其命名为 CHUG。CHUG 的基因组大小为 2.5 Mb，是所有已知的玫瑰杆菌中的最小的（平均 >4 Mb）。CHUG 最显著的代谢特征是不能合成维生素 B12。此外，对全球宏基因组和宏转录组的分析表明，虽然其他远洋玫瑰杆菌的相对丰度和活性与叶绿素 a 浓度呈现正相关关系，但这种相关性在 CHUG 中并不明显。上述结果支持一种假说，即 CHUG 可能具有与浮游植物无关的自由生活的生态方式。..玫瑰杆菌在珊瑚微生物群落中具有高达50%的占比。石珊瑚一般包含三种组分：粘液、组织和骨骼。这三种组分为微生物提供了空间距离很近、但物理化学性质截然不同的生态栖息地，因此是研究微生物进化机制（如扩散限制和自然选择）的理想模型。我们从香港沿岸常见的珊瑚品种尖边扁脑珊瑚（Platygyra acuta）中分离了超过230个玫瑰杆菌菌株，它们属于两个不同的种群。第一个种群在整个基因组上只有几十个核苷酸位点存在差异，统计系统发育分析表明，这些核苷酸位点存在明显的组分分化信号，这是由珊瑚不同组分之间的扩散限制造成的。第二个种群更加多样化，可以进一步分为两个亚群。这两个亚群分别采集自珊瑚黏液和珊瑚骨骼，具有许多代谢功能差异，以适应珊瑚不同组分独特的生态环境，表明自然选择在驱动种群分化过程中的强大作用。