食烷菌属基因组学研究

国际上对石油降解微生物的研究主要局限于近海。近年来我们发现，各大洋表层及深海环境中存在着各种石油降解菌。其中，作为烷烃降解菌，分布最广的是本实验前期鉴定的模式种之一：柴油食烷菌。为了解其降解机制及其对大洋环境的适应性，本课题拟对该其模式株B-5进行基因组全序列分析，以及转录组及蛋白质组分析。同时，以该菌株为参比，拟对不同来源生境的、代表不同种的另外12株食烷菌菌株进行基因组框架图测序，系统开展比较基因组研究，加深对食烷菌属在分子进化、生态分布与烃类等方面的认识。同时，研究结果也有助于开发利用降解菌资源用于海洋石油污染的生物修复。

食烷菌是海洋环境中重要的石油降解菌。在本课题立项前，该属多样性与系统进化缺乏研究。而且对于细菌是如何感知烷烃，信号如何的转导，烷烃是如何跨膜转运，以及不同链长烷烃的降解途经是如何的调节的等等，这些问题几乎不清楚。本研究在全球考察与大量菌种获取的基础上，开展了系统进化分析发现，基于基因组分析发现该属可分为36个种（含28个新种）。36株菌的基因组测序已完成。食烷菌的基因组大小在3.12Mb到4.93Mb之间。36株食烷菌总共130570个蛋白编码基因、归为17118种同源基因类，即食烷菌的泛基因组大小；核心同源基因类有1288种（包含46723个编码蛋白基因），占总基因数的35.8%。所有食烷菌都存在多个烷烃降解基因。.以柴油食烷菌B-5为研究对象，发现并验证了中与这些生理过程相关的关键因子和基因。首次报道了细菌烷烃感受蛋白，它在烷烃感应、识别与信号传导过程中发挥着关键作用；首次揭示了烷烃趋化机制及其在烷烃吸收与代谢过程中调控作用；首次发现了外膜烷烃转运蛋白，及其对不同链长烷烃的选择性转运；首次报道了食烷菌降解长、中、短链烷烃的代谢路径与分子调控机制。研究发现了外膜蛋白OmpS为组成型表达，并可以感应胞外各种所试链长的烷烃（C6-C36），并将信号传递给MCP趋化复合体，并诱导趋化相关基因的进一步上调表达。发现了两个耦合蛋白基因cheW1与chew2，能够分工负责不同链长的烷烃的信号传递进一步调控着一个全局调控蛋白末端氧化酶基因cyoD的表达。CyoD通过调控专一性的调控蛋白的表达，该调控蛋白进一步调控了特异性烷烃转运蛋白及烷烃代谢途径相关基因的表达，从而使细胞选择性的吸收烷烃。这是到目前为止认识最深入的烷烃代谢网络。.本研究还分析了柴油食烷菌B-5对卤代烷烃的代谢机制。该菌能利用多种卤代烷烃为唯一碳源，其基因组含有两个卤代烷烃脱卤酶（HLD）基因dadA和dadB。我们首先分析了食烷菌属细菌中的HDL基因的分布与系统发育关系并开展了酶学研究：分析了DadA和DadB底物范围、最适温度和pH等。证明DadA代表了一个新的酶活特异性亚家族；而DadB对难降解的小分子多取代卤代污染物具有目前最好的催化活性。这是首次证明食烷菌属存在具有脱卤活性的HLD，揭示了食烷菌在卤代污染物降解方面具有应用潜力。