海洋聚磷菌Halomonas YSR-3基因组解析及聚磷关键基因的功能研究

Polyphosphate-accumulating organism (PAO) is very important in enhanced biological phosphorus removal owning to its super phosphorus-absorbing capability. In this study, the whole genome sequence of a PAO, marine Halomonas sp. YSR-3 is determined by High-throughput sequencing technique. We put particular focus on the genes charging of polyphosphate synthesis and degradation, polyphosphate transport, retention of polyphosphate granules and PHA synthesis by applying Bioinformatics methods. The KEGG database is used for pathway reconstruction. After gene's identification and annotation, we confirm the key genes' function using molecular biology procedures, which are prepared for the construction of engineering-strain with high capability of accumulating polyphosphate. We dig out the similarities and differences between marine PAO and continential PAO in the field of polyphosphate formation intracellularly. The mechanism of polyphosphate accumulating of marine Halomonas sp. YSR-3 is discussed. Its stability and the polyphosphate-absorbing capability are measured. The consequence of this study will provide supporting technology for the settlement of eutrophication problem by bioremediation in situ and it is potential to recover phosphorus from wastewater and phosphorus recycling with the benefits on the side of both environment and economy.

在对海洋聚磷菌Halomonas sp. YSR-3进行高通量基因组测序的基础上，通过生物信息学手段对与多聚磷酸盐形成相关的功能基因进行注解和比对分析、重建该菌中可能的聚磷途径、应用分子生物学手段对关键基因的功能进行研究，达到揭示海洋聚磷菌和淡水聚磷菌聚磷途径的异同、挖掘出海洋聚磷菌Halomonas sp. YSR-3中调控聚磷的功能基因(簇)、为将来构建稳定除磷的工程菌奠定理论基础。海洋聚磷菌Halomonas sp. YSR-3对盐度和磷酸盐浓度有较高耐受性，胞内的致密多聚磷酸盐颗粒不随培养条件的改变而降解，本实验的研究结果为探明聚磷菌的聚磷机理提供新思路，为高盐废水生物除磷提供材料，利于实现污水除磷中的磷回收和富营养化水体的原位生物修复。

聚磷菌不具有分类学意义，是一大类能够在胞内形成多聚磷酸盐的微生物的总称，目前虽然发现很多种属的菌株都能在细胞内形成多聚磷酸盐，但对聚磷机理的研究仍处于探索阶段，而且对于海洋聚磷菌的研究较少。该项目以海洋聚磷菌Halomonas sp. YSR-3为研究对象，YSR-3对盐度和磷酸盐浓度有较高耐受性，胞内的致密多聚磷酸盐颗粒不随培养条件的改变而降解。以提高其聚磷能力为目标，采用传代培养和紫外诱变的手段，逐渐提高菌体的聚磷能力，得到聚磷能力显著提高的菌株，对菌体内形成的多聚磷酸盐和聚β-羟基丁酸颗粒进行染色，评估菌体的聚磷能力，对菌株的培养条件进行优化，得到聚磷能力和胞内颗粒明显提高的出发菌株。对菌体内形成的多聚磷酸盐颗粒的成分进行研究，以胞内形成多聚磷酸盐颗粒和去除培养液中无机磷为研究对象，对菌株的除磷能力进行研究，优化出更好的培养条件。将出发菌株送去上海生工进行全基因组测序，通过高通量测序技术获得全基因组序列，用生物信息学手段对序列进行分析，得到基因组的重要信息，对与聚磷相关的基因簇进行分析。通过对其中与磷转运及多聚磷酸盐形成相关的基因进行注释，与其他来源的基因序列进行比对分析，找出其同源性和差异性，对关键的功能基因进行研究。通过对基因序列的注解分析和关键功能基因的研究，为聚磷菌的聚磷机理提供理论支持，以期阐明海洋菌与淡水菌聚磷机理的异同，达到揭示海洋聚磷菌和淡水聚磷菌聚磷途径的异同，最大化挖掘海洋聚磷菌的特点，实现其在高盐废水除磷中的应用，为解决水体富营养化和实现磷回收提供新材料和新思路，为其实现工业化应用奠定基础。本实验的研究结果为探明聚磷菌的聚磷机理提供新思路，为高盐废水生物除磷提供材料，利于实现污水除磷中的磷回收和富营养化水体的原位生物修复。