长江变形菌视紫质多样性分布及其环境适应性策略研究

Proteorhodopsin (PR) is a membrane protein for photosynthesis, which is a process to produce ATP via absorbing light energy. PR-based photosystems break through the traditional concept of chlorophyll-based photosynthesis. It plays a crucial role in the energy cycle and carbon cycle of the ecosystem. However, current studies mainly focus on PR variability in different marine ecosystems, seasonal and spatial variability of PR in large rivers has rarely been reported. According to our previous research that abundant SAR11 bacteria, thought as one of main PR-containing bacteria, were found in Changjing River, we speculate that there are abundant PR genes in Changjiang River. Therefore, this study intends to take the mainstream of Changjiang River (4300 km) as the research objects to study the PR in river. First, the spatiotemporal pattern of PR abundance and diversity will be revealed by metagenome-based high-throughout sequencing. Then, motif analysis and heterologous expression studies will be combined to explore the different characteristics of PR function across variations in the conserved residues and their response to the environment. Finally, Metagenome-assembled genomes (MAGs) will be used to conduct comparative genomics research for elucidating the ecophysiological difference between PR-possessing and PR-lacking strains. Their adaptive strategies to the light environment will be revealed at genome level. This study is of great significance in understanding the energy cycle and carbon cycle in the river ecosystem.

变形菌视紫质（PR）是一类具有光合作用的膜蛋白，可以将光能转化为化学能。PR介导的光合作用突破了传统的叶绿素光合作用的概念，在生态系统能量循环和碳循环中具有重要作用。目前针对PR的研究主要集中在海洋环境中，而鲜见河流PR基因多样性的研究。我们已有的研究结果表明，长江生态系统中存在大量的变形菌SAR11，其已被证实为PR的主要宿主之一，据此我们推测长江中含有丰富的PR基因。因此，本项目拟以长江干流4300km为研究对象，通过宏基因组高通量测序技术，探明长江PR基因丰度和多样性的时空分布特征。结合模体分析和原核表达实验，确定PR基因的功能特性及其与环境之间的关系。最后利用宏基因组数据组装菌株基因组（MAG），利用MAG进行比较基因组分析，探讨含PR细菌与不含PR细菌的生态生理特性，在基因组水平揭示光营养环境下它们的生存策略。本研究对深入认识河流生态系统的能量循环及碳循环特征具有重要意义。

变形菌视紫质（PR）是一类具有光合作用的膜蛋白，可以将光能转化为化学能。PR介导的光合作用突破了传统的叶绿素光合作用的概念，在生态系统能量循环和碳循环中具有重要作用。目前针对PR的研究主要集中在海洋环境中，而鲜见河流PR基因多样性的研究。本项目研究了长江干流4300千米中微生物及PR基因丰度和多样性的时空分布特征。结果表明，长江中丰富细菌类群（AT）和稀有细菌类群（RT）均具有相似的时空分布格局。零模型拟合结果表明，AT和RT均由随机过程主导。然而，AT主要受扩散限制影响，而RT中的非主导过程在随机性过程中的比例较高。河流流量和悬浮固体介导了RT中随机性过程和确定性过程的平衡。总浮游细菌群落的时空分布特征和群落组装过程与RT更相似。我们进一步通过49个采样点的宏基因组数据，结合原核表达实验，研究了长江中PR的分布及其生态生理特性。在长江中，我们识别出了大量新的离子泵残基突变，其中以偏好滤光吸收光谱的残基为主。这些PR基因的空间分布与地貌类型分布一致，分为山地、丘陵、盆地、山地-丘陵和平原。在高海拔、低温以及低氮区域，PRs的丰度最高，这表明PRs具有很强的趋光性以及对寒冷和寡营养环境的适应性。进一步对拥有PR的细菌（PR+）和缺乏PR的细菌（PR-）进行基因组比较分析，发现PR+细菌的共同特点是基因组尺寸小、分子量低，以及与DNA修复、碳固定和运输系统相关的关键微生物过程的基因得到显著富集，使PR+细菌对不利条件具有广泛的适应性。同时，我们发现PR+细菌具有较低的噬菌体密度和病毒-宿主丰度比（VHR）、更多的群感效应、毒素-抗毒素和CRISPR-Cas系统相关基因，这些基因的富集促进了PR+细菌的原核生物免疫能力，以防御病毒的毒性感染。而PR-细菌则通过增强厌氧活性，以适应低氧环境。我们的研究首次深入探索了中国最大河流中的PR基因，解开了PR基因的生物地理学和PR+细菌的多种环境适应策略。