基于基因-蛋白质-代谢物调控网络的极端微生物耐辐射分子机制的研究

Extremophiles have great application potential due to their capacity living in extreme environment. Based on high throughput nucleic acid sequencing technology and mass spectrometer platform, the genome, transcriptome, proteome and metabolome of Pontibacter korlensis and Deinococcus radiodurans R1 will be systematicly studied. The genome of P. korlensis, a new radiation-resistant bacterium species separated from Xinjiang desert, will be sequenced and further comparatively analyzed with that of typical radation-resistant species D. radiodurans. Genes involved in radiation resistance will be identified; Furthermore, by integrating genomics, trancriptomics, proteomics and metabolomics technology, the regulatory network will be constructed through studying genes expression profiles as well as consequential proteins and metabolites changes at series of 60Co radiation intensities. This regulatory network will undoubtedly promote our later work in developing an insight into the radiation-resistant mechanism of these extremphiles and exploiting functional genes, proteins and metabolites.

基于极端环境微生物独特的生存机制和广阔应用开发前景，本项目依托高通量核酸测序技术及高通量质谱技术平台，根据基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的研究手段，全基因组测序分析自我国新疆强光照地区分离获得的耐辐射细菌新种Pontibacter korlensis（库尔勒海洋杆菌）全基因组与已知的极端耐辐射微生物Deinococcus radiodurans（耐辐射奇球菌）进行比较分析，确定与抗辐射相关的基因。同时，从基因-蛋白质-代谢物多层次全方位研究耐辐射细菌P.korlensis和D. radiodurans在不同强度的离子辐射条件下RNA信号的变化、蛋白质表达及其相继的代谢物与代谢物表达水平的分子网络变化；发掘在以上多个层面上真正有效的抗辐射成分，揭示极端微生物迅速适应高辐射环境的分子网络调控机制和规律，系统闸明耐辐射细菌的耐辐射机理。

沙漠干燥和辐射环境对植物与微生物生存来说及其严苛。在本项目中，我们第一次报道了耐辐射微生物Pontibacter属菌株 Pontibacter korlensis X14-1T(=CCTCC AB 206081T, X14-1)全基因组序列并进行了深度分析。对菌株X14-1的糖代谢途径重构分析指出其能利用纤维素，淀粉和蔗糖等多种糖类且后期实验结果证实了基因组分析。分析结果进一步指出菌株X14-1也能通过DNA修复系统，活性氧清除系统以及OstAB 与 TreYZ途径的海藻糖合成系统对抗沙漠的干旱和辐射环境。通过比较γ射线辐射前/后X14-1菌株转录组数据，发现辐射后的菌株有以下应激反应：ⅰ.过氧化氢酶超表达;ⅱ.锰离子通道蛋白超表达。而且还发现了 73个辐射前后表达量发生显著变化的新基因，结果表明上述基因可能通过对铁元素的转运和保存机制使菌株X14-1适应沙漠辐射和干燥环境。其次，在胡杨林根际地表下层土壤样品中分离一株耐辐射菌株7-26，根据分子遗传数据，表型数据以及系统发育树的结果表明，该菌株是Pontibacter属的另一个新种，将其命名为Pontibacter soil，模式菌株为菌株7-26T。最后，报道了3株耐辐射微生物Kocuria turfanensis HO-9042，Kocuria flava HO-9041与Rufibacter tibetensis 1351的全基因组序列。. 上述研究部分阐明耐辐射微生物的生活史，能帮助我们更好了解其对抗极端环境周期，更好的促进极端生物的研究发展。微生物对辐射的抗性及对寡营养条件的适应机制也能被应用于沙漠植物的栽培，这将减少沙尘暴生成增加耕地面积进而减少世界范围内的饥饿问题。沙漠中微生物耐辐射的机理也能在辐射环境下的化妆品领域和土壤修复领域应用。