三种典型生境放线菌的群落结构比较及优势类群的特征

As an important microbial resource with rich secondary metabolites and ecological functions, actinobacteria are recognized as a large category of prokaryotes with enormous species, genetic and functional diversity. It would be important, and challenging as well, to establish an efficient correlation between genetic and ecological diversities of this group of organisms for an improved exploitation of resources. This study will activate a comprehensive investigation of actinobacterial population structures from three typical habitats, namely red soils, deep sea sediments and insects, by employing an integrated scheme facilitated by new techniques from the fields of systematics, ecology, bioinformatics and genomics. We aim to illustrate the intrinsic impact of ecological and biogeographic factors to the origination and distribution of different actinobacterial populations, and will establish state-of-art selective approaches for reviving typical populations, including novel taxa, with or without habitat preference, which could be the abundant habitants in these three environments. For these abundant organisms, detailed studies based on a whole genome level will be performed to elucidate their population diversity, eco-physiology and commercial potentials. This study will promote to establish a natural linkage between actinobacterial systematics and ecology, and will make a good example for studying the origin and evolution of the modern actinobacterial diversity, as well as contribute to efficient resource bioprospecting scheme with more clear direction.

放线菌(actinobacteria)是一大类具有活跃次级代谢和生态功能的重要微生物资源，其生境分布广泛，具有高度的物种、遗传和功能多样性。将放线菌的物种和遗传多样性与其生态多样性关联起来对资源开发利用十分关键，但也是当前面临的主要挑战。本项目将综合运用系统学、生态学、生物信息学和基因组学技术，解析红壤、深海沉积物、昆虫三种典型生境的放线菌群落结构，认识不同生境放线菌群落的分布特征及与环境因子的关系；建立新的选择性分离培养技术，获得不同生境特有和共有的优势放线菌类群，包括新类群；阐明优势类群的种群多样性、生态生理学特征及资源潜力，并在基因组水平揭示这些特征的遗传基础。研究结果将推动建立放线菌系统学与生态的有机联系，为研究放线菌多样性的形成和放线菌资源的定向收集与开发提供材料和依据。

放线菌是一大类产生生物活性物质和具有重要生态功能的微生物资源，其生境分布广泛，具有高度的遗传、物种和功能多样性。将放线菌的遗传和物种多样性与其生态功能多样性关联起来对其资源开发利用十分关键，但也是当前面临的主要挑战。本项目首先通过高通量测序结合分离培养解析了红壤、深海沉积物、昆虫三种典型生境的放线菌群落结构。发现放线菌门是这三种生境的原核微生物群落中多度位居前4的优势门；虽然各生境放线菌群落结构明显不同，其显著相关的环境因子也各不相同，但链霉菌科、假诺卡氏菌科、微球菌科是这三种生境共有的优势菌科，且地理因素对放线菌群落结构的影响都很小。随后通过选择性分离培养获得了各生境优势放线菌类群的大量菌株，其中红壤和昆虫的优势类群具有较好的抗菌活性，而深海优势类群具有较好的低温降解有机质的活性；鉴定并有效描述了其中4个代表性新物种，分布于链霉菌属、考克斯菌属、短杆菌属和拟无支菌酸菌属。链霉菌属是这三种生境放线菌群落中唯一共有的优势属，收集获得三种生境共有的微黄白链霉菌和橄榄色链霉菌物种，各约40株菌。基于5个看家基因MLSA的群体遗传学分析显示了两个物种中均存在同源重组，同时存在明显的种群结构和显著的生境信号，尤其是昆虫种群与土壤、海洋种群之间存在较明显的遗传分化，说明生态是塑造链霉菌演化的重要力量。进一步的群体基因组学分析获得了一系列与自由生存和昆虫生境相关的基因组变异，证实生态适应促进了微黄白链霉菌的遗传分化，提议了具有基因流的链霉菌生态物种形成模型；同时表明需要关注被低估的微生物种内多样性，以利于挖掘生态相关的功能和天然产物。项目成果显示了放线菌系统学研究中生态的重要性，推动建立了放线菌系统学、生态学与资源学的有机联系，为研究放线菌多样性形成和资源开发提供了新的思路、材料和依据。