海岸带沉积物中嗜热菌新物种的分类和系统进化研究

Thermophilic bacteria are normally isolated from geothermal or artificial thermal environments, and they play important roles in biogeochemical cycle and human production and life. However, resent studies showed that the cold polar region also harbor large amount of thermophiles in the form of spores. Our recent research also demonstrated that abundant thermophiles with extremely low 16S rRNA gene identities exist in the coastal sediments with low temperature, and dozens of them had been isolated as pure cultures. However, these thermophiles still remains enigmatic. In this project, typical coastal sediments from four Chinese sea regions were collected and studies. Through bioinformatic analysis of the 16S rRNA gene clone libraries and metagenomic data, and isolation of pure cultures, figure out the diversity and species composition of these new thermophiles; determine the taxonomic status of these new isolates by using polyphasic strategy incorporating genomic data; lastly, reveal the speciation and evolution of the thermophiles through phylogenetic analysis of the conserved genes, comparative genomics analysis and species origin analysis. Our research would increase the number of thermophilic species, deepen our knowledge of the origin and envolution of thermophilic species, and provide the foundation for resource development of thermophiles and ecological environment preservation.

嗜热菌一般分离自地热或人造高温环境，在生物地球化学循环和人类生产生活中发挥重要作用。但近来研究证实极地等低温环境中存在大量以孢子形式存在的嗜热菌；申请人研究也发现低温海岸带沉积物中存在大量嗜热新菌，且已获得十余株新菌纯培养，它们具有极低16S rRNA基因相似性和独特的系统进化地位。这些全新嗜热菌资源目前还缺乏系统性研究。本课题拟采集中国近岸四个典型海域沉积物样品，通过16S rRNA基因文库和宏基因组测序数据的分析、以及菌株分离纯化等手段，解析近岸低温环境中嗜热菌多样性和种群组成；通过多相分类鉴定结合基因组分类鉴定，确定嗜热新菌的分类地位；最后通过亲缘物种间保守基因的系统进化分析、比较基因组分析、以及嗜热菌来源分析等，阐明嗜热菌新物种的系统发生和进化过程。本课题研究将丰富嗜热菌种质资源库，增进我们对近岸低温环境中嗜热菌物种来源和进化的认识，为嗜热菌资源开发和生态环境保护提供基础。

嗜热菌一般分离自地热或人造高温环境，在生物地球化学循环和人类生产生活中发挥重要作用，但近来研究证实极地等低温环境中存在大量以孢子形式存在的嗜热菌。申请人在本项目中通过基于16S rRNA全长基因和V3V4区序列的生物信息学对低温海岸带沉积物中的嗜热菌的菌群组成进行解析，且通过各种培养方法已获得16株嗜热新菌纯培养，它们具有极低16S rRNA基因相似性和独特的系统进化地位。选取7株具有代表性的嗜热新菌，进行了基因组草图或完成图的测定，并对其基因和代谢路径进行注释。通过对宏基因组数据和菌株16S rRNA基因的系统发育分析，发现沉积物中嗜热菌新物种占绝大多数的比例，无论细菌还是古菌均存在一个或多个门水平的新分类单元。通过比对本研究中嗜热菌种群组成差异、嗜热菌新种与亲缘物种的地域分布，发现沉积物中嗜热菌的亲缘物种主要来自陆生环境如污水和热泉，明确嗜热菌经过漫长的环境适应性进化过程才最终形成了沉积物中新物种。以嗜热菌Defluviitalea phaphyphila为例，对近岸海洋嗜热菌的起源和进化进行了进一步阐述，该菌株的生理生化特征，特别是碳源代谢能力很好展现出该属菌种的海洋环境适应性进化。对该菌特有的褐藻胶裂解酶Dp0100的深入研究发现其蛋白结构在分子水平上佐证了该适应性进化过程，如褐藻胶多糖底物结合结构域的产生。研究还发现温度改变可引起显著的富集效应，采用宏基因组学手段对不同温度富集条件下，微生物种群富集和变化研究发现随着温度的升高，特定类群的物种如细菌的厚壁菌门和古菌的一个unclassified类群可以发生显著富集，而拟杆菌门则在高温富集过程中快速消失。在研究中还发现一株高温下的疑似新型生命体，初步研究显示其具有特殊生命形态和生理过程。本课题研究将丰富嗜热菌种质资源库，增进我们对近岸低温环境中嗜热菌物种来源和进化的认识，为嗜热菌资源开发和生态环境保护提供基础。