海底沉积物中链霉菌类群海洋生境适应机制的研究

Ocean is an ecosystem with significantly complicated signatures. This ecosystem has ample salt and high pressure while low temperature and oxygen, low nutrition and etc. Particularity and complexity of the marine environment are suggesting species diversity and genetic diversity of marine sediments Streptomyces. Based on preliminary pan-genome analysis of several Streptomyces strains from various environments, we observed that most strains of Streptomyces from ocean have a closer kinship. This phenomenon is indicating that Marine Streptomyces group may have some common genetic basis in the evolutionary origin，which may reflect their ocean adaptive characteristics. In this study, we will be focusing on typical strains of Streptomyces bacteria genomes which collected from marine sediments and downloaded from NCBI database in different habitat. By means of pan-genome analysis, functional genomics analysis, species evolution analysis and genome dynamics analysis, we will compare the marine sediments Streptomyces and territorial Streptomyces, search differences in gene variants, functional gene clusters, genome dynamics and metabolic pathways, etc. and construct phylogenetic relationships between Streptomyces from different habitat. All these analysis will help us interpret high salt, low temperature and oligotropic marine environment adaptation mechanism of marine sediments Streptomyces with multi-angle and multi-level and pave the way for marine sediments Streptomyces exploration and utilization.

海洋是一个具有高盐、高压、低温、缺氧、寡营养等特殊条件的生态系统，该环境的特殊性和复杂性赋予海底沉积物中链霉菌种类和遗传的多样性。基于前期对NCBI下载的多株不同生境来源链霉菌的泛基因组学分析，发现多数海洋来源的链霉菌间有更近的亲缘关系，提示我们海洋来源链霉菌类群在演化起源上可能具有某些共同的遗传基础，体现其对海洋环境的适应性特征。本研究拟以海底沉积物中采集的代表性链霉菌及NCBI中已测序公布的不同环境来源链霉菌为研究对象，通过泛基因组学分析、功能基因组学分析、物种演化分析、基因组动力学分析等，比较海底沉积物中链霉菌类群与陆源链霉菌类群在功能基因变异、功能基因簇、基因组组分动力学变化及代谢途径等方面的差异，构建不同生境来源链霉菌间系统发生关系，从多角度、多层次揭示海底沉积物中链霉菌对高盐、低温、寡营养的海洋环境适应机制，为开发利用海底沉积物中链霉菌资源奠定基础。

本研究通过对9株从南海海区不同经度、纬度和深度的沉积物以及柳珊瑚中分离的链霉菌基因组进行测序、拼接和注释，结合22株从美国国家生物技术信息中心（National Center for Biotechnology Information，NCBI）下载的、具有不同生境来源的链霉菌进行泛基因组学分析、物种演化分析和功能基因组学分析初步揭示链霉菌的海洋环境适应机制。泛基因组学分析表明链霉菌属具有开放型泛基因组，这与该属生存环境多样性特征相符合；基于单拷贝核心基因的物种演化分析将31株链霉菌分成海洋来源和多重来源两大分支。对两个分支的链霉菌进行比较获得以下结果：物种演化过程中的基因得失分析显示在进化的早期，两个分支的祖先都经历了更多的基因获得事件，并且多重来源分支的祖先比海洋来源分支的祖先多得到了更多的基因，导致该分支的菌株普遍具有较大的基因组；两个分支核心基因的直系同源基因簇（Clusters of Orthologous Groups，COG）功能富集分析显示海洋来源分支链霉菌富集了更多与翻译、核糖体结构及生物发生，以及翻译后修饰、蛋白质转换、分子伴侣相关的功能基因，这可能有助于在低温和高压环境下蛋白质折叠和保持功能稳定性；根据转运蛋白分析数据库中的转运蛋白家族分类，海洋来源分支链霉菌具有较多与渗透压和低温适应性、寡营养适应性以及其他与海洋环境适应性相关的转运蛋白家族；比较两个分支中响应环境信号的代谢通路，表明海洋来源分支链霉菌中更多的富集了磷酸盐吸收两组分信号系统、半乳糖低聚物/麦芽低聚糖ATP-结合盒转运蛋白系统、多糖ABC转运蛋白系统以及抗坏血酸盐磷酸转移酶系统，这些系统有助于链霉菌在营养匮乏的环境中充分利用营养物质。另外，我们发现海洋来源的链霉菌具有更多规律间隔的短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）元件，CRISPR元件中的间隔序列通过类似RNA沉默的机制抗噬菌体，较多的CRISPR元件也体现了海洋来源的链霉菌对海洋环境的适应性。