节杆菌中海藻糖合成代谢响应冻土退化的分子机制研究

Strains of Arthrobacter species are among the most frequently bacterium to isolated in permafrost. Arthrobacter sp. have important potential applications (pollutant degradation, biological productivity, etc.) and are essential for the biogeochemical cycles in soil. Trehalose is a protection molecular, which is essential for the cold shock，heat shock and lots of stress protections in Arthrobacter. Previous studies showed there are 3 pathways of trehalose synthesis in Arthrobacter species and the strains are using different pathways to adapt different environments. However, which pathways are prefer to use when Arthrobacter survival in permafrost are still unknown. The upstream of Shule River,which is transition Permafrost of Qinghai–Tibetan Plateau, is the "lifeline" of herdsmen in Hexi. With the degradation of permafrost in this area, the grassland is degraded dramatically. This project will analysis the Arthrobacter in the soil samples, which are isolated in different types of permafrost and different seasons in the upstream of Shule River. Using the real-time PCR and the clone library of 16S-ITS-23S rRNA to analysis the spatial and temporal variation of Arthrobacter community structures in different type of permafrost. Analysis the levels of trehalose, the trehalose synthesis pathways and the flexibility of N-Loop of OtsA can help us to understand the molecular mechanisms of trehalose metabolism, which is in response to permafrost degradation, in Arthrobacter. To study the adaption mechanisms of microorganisms during permafrost degradation, as well as to provide a scientific basis for ecological restoration by microorganisms.

节杆菌是冻土中广泛存在、具有重要应用潜力（污染物降解、生物产能等）并对土壤的生物地球化学循环有重要作用的一类细菌。海藻糖是节杆菌在低温等胁迫下的一种重要保护分子。研究表明节杆菌中存在3条海藻糖合成途径，不同途径间的组合是其适应不同环境的重要机制，但在冻土退化过程中节杆菌海藻糖合成途径的变化规律尚未见报道。疏勒河上游是青藏高原冻土区的过渡带，也是河西农牧民的“生命线”之一。随着冻土退化造成该地区草地急剧退化，对当地带来严重威胁。本项目以疏勒河上游不同冻土类型和不同季节土样为研究对象，运用定量PCR和16S-ITS-23S rRNA基因克隆文库技术，揭示节杆菌属群落结构的时空变化规律；运用定量分析、免疫印迹和N-loop序列多态性分析，研究节杆菌属优势菌株中海藻糖含量及代谢途径，阐明节杆菌海藻糖代谢响应冻土退化的分子机制，为研究微生物在冻土退化中的作用和适应机制以及为冻土区生态恢复提供科学依据

节杆菌是冻土中广泛存在、具有重要应用潜力(污染物降解、生物产能等)并对土壤的生物地 球化学循环有重要作用的一类细菌。海藻糖是节杆菌在低温等胁迫下的一种重要保护分子。研 究表明节杆菌中存在3条海藻糖合成途径,不同途径间的组合是其适应不同环境的重要机制, 但在冻土退化过程中节杆菌海藻糖合成途径的变化规律尚未见报道。疏勒河上游是青藏高原冻土区的过渡带,也是河西农牧民的“生命线”之一。随着冻土退化造成该地区草地急剧退化, 对当地带来严重威胁。本研究通过对疏勒河上游不同冻土类型进行研究：(1).揭示了随着冻土退化过程中土壤中碳源种类变化是影响节杆菌时空分布的主要影响因素，而节杆菌自身的碳源代谢能力与抗逆特征是其适应冻土退化的主要因素。通过对节杆菌A3的遗传分析我们发现其碳源代谢能力非常广泛，并从中发现了一个全新的有机物代谢基因并命名为RfiA。该基因编码的蛋白可以有效降解含有卤族元素的有机化合物，其中包括一种人工合成的细胞分裂抑制剂类的抗生素。(2)阐明随着冻土退化过程中节杆菌耐受渗透压胁迫的遗传调节方式：节杆菌在受到渗透压胁迫后，细胞形态会从杆状变成类似菌丝体状生长。我们首次阐明节杆菌海藻糖代谢通路的第一条通路中的OtsA蛋白与其催化底物是调节渗透压胁迫下新生细胞壁定位变化以及节杆菌形态发育的重要因素。