深渊严格嗜压菌Moritella yayanosii DB21MT-5鞭毛系统适应高压环境的机制研究

The trench, representing the deep-sea bottom with over 6000m in depth, is characterized by high hydrostatic pressure and limited nutrient supply. It remains one of the least understood habitats on earth. Flagella provide bacteria with a highly efficient means of locomotion, plays important role in searching for nutrient and cellular survival. The synthesis of flagellar and cell motility is one of the most pressure-sensitive bioprocess. As demonstrated by the study of moderately piezophiles isolated at the depth of 2000-3000 meters, the regulation of flagellar synthesis adapts to high pressure environment through various ways. However, the adaptation mechanism of flagellar from obligately piezophiles is still unclear. In the grant proposal, we will characterize the flagellar apparatus of obligately piezophilic bacteria Moritella yayanosii DB21MT-5, and study the effect of pressure on its synthesis and motility by analyzing the transcription of related genes, the translocation and assembly of proteins, and the cellular motility. The results obtained will contribute to our understanding of the adaptation mechanism of flagellar motility in obligately piezophiles to the highest hydrostatic pressure, and will shed light on the exploration of life in the deep biosphere.

深渊指水深超过6000米的海沟区域，以高静水压、寡营养为主要特点，该生境下的生物特征尚不明确。鞭毛旋转推进细胞运动，是细菌最有效的运动方式之一，对细胞寻找营养物质以及个体生存至关重要。细菌鞭毛合成及运动对压力变化非常敏感。对生活在水深2000-3000米处的中度嗜压菌的研究表明，不同菌株的鞭毛合成调控系统对高压环境的适应方式不同。而深渊环境中的严格嗜压菌的鞭毛合成过程及其如何适应高压环境仍未知。本项目首次以分离自10898米水深的深渊严格嗜压菌Moritella yayanosii DB21MT-5为研究对象，利用高压模拟细菌培养平台、高压显微观察仓和常规分子生物学、生物化学手段，系统解析不同压力培养和不同生长阶段的细胞的鞭毛基因转录、蛋白转运组装以及细胞运动特征，分析压力变化对鞭毛运动的影响，探索严格嗜压细菌的鞭毛系统对高压环境的适应机制，为深入揭示深渊环境中的生命过程奠定基础。

深渊指水深超过6000米的海沟区域，以高静水压、寡营养为主要特点。仅能在高压环境中生存，而无法在常压条件下生存的严格嗜压菌大多分离自深渊环境中。由于深渊样品采集、高压模拟培养等技术尚未普及，到目前为止，人们仅获得了约20株深渊严格嗜压菌的纯培养。它们独特的生活方式以及对深渊超高压环境的适应机制目前尚不明确。Moritella yayanosii DB21MT-5和Shewanella benthica DB21MT-2是分离自马里亚纳海沟挑战者深渊10898米水深处的2株深渊严格嗜压菌，是研究微生物适应深渊超高压环境的理想模式菌株。.本项目以这两株细菌为研究对象，通过比较基因组学分析发现包括鞭毛系统、趋化蛋白以及与微生物应激反应相关的毒素-抗毒素系统很可能在微生物适应深渊环境的过程中发挥重要作用。进而，我们建立了高压显微观察体系并对两株深渊严格嗜压菌在不同压力条件下的运动能力进行了分析。结果表明，在最适压力条件下，两株细菌拥有最好的运动性，压力升高或降低均会导致细胞运动能力的下降。但压力对细菌运动能力的影响是可逆的，一旦回到最适条件下，细菌的运动能力仍能够恢复。同时，我们检测了不同压力条件下鞭毛基因的表达水平。结果显示，压力降低时，两套鞭毛系统的鞭毛基因表大量均有下降，其中周生鞭毛所受影响更为显著，说明两套鞭毛系统对压力的适应性并不相同，周生鞭毛可能主要在高压条件下发挥作用。为深入认识压力对蛋白微丝结构的影响，我们设计定制了高压原位固定装置，并利用纯化的FtsZ蛋白在体外条件下分析了不同水深来源的蛋白微丝的压力稳定性。研究结果表明，来自深渊严格嗜压菌的蛋白微丝在高压条件下具有更高的稳定性，不易发生降解。本研究从基因组组成、基因转录表达、大分子结构等多个层面系统分析了深渊严格嗜压菌对高压环境的适应机制，为深入揭示深渊环境中的生命过程提供了重要数据。