近海木质素降解菌群在木质素碳代谢过程中的作用及对环境因子的响应

Lignin, which is widely distributed in marine environments, is a biomarker of terrestrial organic carbon. Microbe-driven lignin decomposition is not only important for the study of marine carbon sinks, but also for the global carbon cycle. However, the mechanisms driving marine lignin-degrading microbial communities and the influence of environmental factors on microbial communities remain elusive. Additionally, the traits during the lignin biodegradation are not one-to-one relationship, although they are closely related. This greatly hampers the screening of lignin-degrading bacteria. This project will focus on the lignin-degrading bacteria community in the intertidal zone at three hierarchical levels, including the bacterial community, individual strains and functional genes. We will employ multidisciplinary approaches, including a time-series in situ experiment, high-throughput sequencing, molecular ecological network construction, enzyme biochemistry experiments, microbial physiology experiments, analytical chemistry and bioinformatics statistical analysis to analyze the mechanism driving the community diversity, explore the influence of time and different types of lignin on the community diversity and elucidate the correlation between lignin consumption, lignin depolymerase activity and cell growth. Moreover, we will develop an effective and novel screening method for lignin-degrading strains and establish mini-marine lignin degrading bacteria library, which can provide biological resources such as lignin-degrading strains and enzymes. This project is expected to improve the current interaction theory between microorganisms and the environment, and provide scientific bases for understanding microbial roles in the decomposition of carbon pools.

木质素广泛存在于海洋中,是陆源有机碳的生物标志物。海洋微生物驱动木质素降解对海洋碳汇乃至全球碳循环的研究都非常重要。但当前海洋木质素降解菌群形成机制，以及环境因子对其影响的研究均存在很大空缺。此外木质素降解过程中各种性状虽然密切关联，却非一一对应，极大干扰了木质素降解菌株筛选工作。基于此，本项目聚焦近海潮间带木质素降解菌群落，立足于细菌群落、个体菌株和功能基因三个层面，拟通过原位富集、高通量测序、分子生态网络构建、酶生化实验、微生物生理实验、分析化学和生物信息学统计分析等多学科交叉技术方法解析其群落多样性及形成机制，探究时间和木质素种类对其多样性的影响，阐明木质素降解过程中木质素消耗、解聚酶活性、细胞生长间的相关性，开发有效的木质素降解菌株筛选方法，建立微型海洋木质素降解菌种库以提供木质素降解菌种、酶等生物资源。本研究将完善现有微生物与环境互作机制；有助于理解微生物在碳库分解中的作用。

木质纤维素是地球上丰富的有机碳库。它在调控全球碳循环中起着重要作用。近海是海洋碳汇主线上碳转化最活跃的生境之一。然而现存有关近海湿地木质纤维素降解菌群的信息很少，极大限制了我们对这些菌群的生态作用和特征的认识。比如，生物及非生物因素如何影响近海木质纤维素菌群的组成及其降解能力。这些菌群的代谢潜能如何？使用哪些功能基因？有无底物特异性？木质素和纤维素降解有无协同作用，其机制如何？如何优化颗粒有机碳（POC）转化为溶解有机碳（DOC）的能力？以及如何优化DOC至聚羟基脂肪酸酯（PHA）的效率？本项目围绕以上科学问题开展。首先，构建了一个微生物代谢木质素的宏基因组数据库。该库总共包含 478个基因（亚）家族，包括木质素解聚酶、辅酶以及芳香族化合物代谢酶，共471907条序列，380959个同源组。该库为后续有关木质素代谢的宏基因组数据解读提供良好工具。其次，解析了近海木质素降解菌群在不同类型木质素代谢过程中的作用，形成机制和演替规律，揭示了木质素，（半）纤维素协同降解机理。第三，在此基础上，分析了全球木质素代谢菌群功能基因分布格局、相互关系及形成机制，揭示了海洋水圈生态系统特有的规律。第四，解析了细胞生长、酶活和木质素降解三者间的关系，建立了快速、简便的木质素降解菌株鉴别方法和枯草杆菌属木质素降解能力评估方法。第五，构建了两种胞外分泌装置，提高了海洋细菌将POC转化为DOC的能力，并解析了分泌途径和有效的反应表面积对降解木质素这种复杂大分子物质的重要性。第六，开发出一种基于CRISPR/Cas9n的，新型高效基因组编辑工具（CRP）。基于该工具，优化了海洋细菌将DOC转化为PHA的效率。最后，基于上述工作，创新性提出借助合成生态学理论，自下而上构建合成微生物群落，以提高木质纤维素产能的工作思路。目前已发表SCI论文5篇，中文核心期刊论文2篇，还有2篇SCI在同行评议中。培养1名博后，3名博士生和2名硕士生。