美国大盆地四热泉可培养高温细菌多样性及生态学研究

发布时间：2017-07-31 14:27

  本文关键词：美国大盆地四热泉可培养高温细菌多样性及生态学研究

  更多相关文章： 热泉 高温微生物 栖热菌 绿弯菌TK17类群 多样性 生态功能 生态分布 大盆地

【摘要】：陆地热泉作为极端环境的典型代表,具有高温这一有别于其它生境的明显特征,蕴藏着丰富而独特的高温微生物资源。本研究在实验室前期对美国西部大盆地热泉系统微生物分子多样性的认识和对高温微生物培养经验的基础上,通过传统的纯培养技术首次对大盆地热泉系统中可培养高温细菌多样性进行了系统研究,同时结合代表性菌株的生理功能特征,对培养获得的主要类群栖热菌属菌株在热泉环境中的潜在生态功能进行了探索,另外获得绿弯菌门潜在新纲TK17类群的第一个纯培养物,并对该类群的生态分布进行了研究。本研究首先利用纯培养技术手段对大盆地地热区4个代表性热泉中可培养高温细菌多样性进行了系统研究。通过5种培养基6种不同的培养温度,从大盆地四个热泉19份不同样品中共计培养获得486株高温微生物菌株,依据菌株形态特征及分离样点的不同,挑选并完成了其中364株高温菌株的16S rRNA基因的测序工作,对其进行初步鉴定。依据测序菌株16S rRNA基因BLAST相似性比对结果和系统发育分析推测,测序菌株分布于细菌域下5个门、10个纲、20个科的31个不同的属中,包括：栖热菌属,热单胞菌属,热杆菌属,红栖热菌,绿弯菌属,泉单胞菌属,Eliora氏菌属,热海杆菌属,亚栖热菌属,甲基利用菌属,高温放线菌属,类芽孢杆菌属,井杆菌属,池杆菌属,产卟啉杆菌属,红杆菌属,玫瑰单胞菌属,微红色菌属,Schleifer氏菌属,中温无形菌属,中温菌属,中温单胞菌属,地芽胞杆菌属,厌氧芽胞杆菌属,水单胞菌属,沙单胞菌属,芽胞杆菌属,以及4个潜在的新属。其中栖热菌属的菌株数目最多,占测序总菌株数的52.47%。有36.8%的测序菌株与已描述的典型菌株的16S rRNA基因相似性小于98%,可能为潜在的新分类单元,包括1个潜在的新纲,4个潜在的新属,19个潜在的新种。接着对培养获得的优势类群栖热菌属菌株的多样性做了进一步分析,结果显示大盆地热泉中培养获得并测序的191株栖热菌可划分为65个基因型,Great Boiling Spring (GBS)和Little Hot Creek (LHC)两地区来源的栖热菌菌株存在一定的地理隔离现象,同时GBS中栖热菌基因型多样性要高于LHC,我们推测主要是由两地热泉水体滞留时间的差异导致的。依据菌株的系统发育位置以及分离地点的不同,选择22株代表性栖热菌菌株,检测其硝酸盐还原功能,三价铁还原功能,砷氧化功能以及硫的氧化和还原功能,以此来探讨该类群在大盆地热泉生态系统中潜在的生态功能。结果表明这些栖热菌菌株具有非常多样化的生理代谢特征,由此我们推测栖热菌类群参与了大盆地热泉环境中氮、铁、硫、砷等元素的代谢,对这些元素的循环转化起着重要作用。通过多相分类实验技术,确定了分离自LHC热泉的栖热菌属两个新菌株L198T和L423-2的分类地位,提出这两个菌株是栖热菌属的一个新菌种,并命名为Thermus sediminis sp. nov.典型菌株为L198T。通过全基因组测序得到典型菌株L198T的基因组草图,基因组大小为2,160,271 bp, GC含量为68.2%,共计4个contigs,4个scaffoldings,预测含有2251个蛋白编码基因,57个RNA基因,编码区占全基因组的94.1%。预计有1868个蛋白编码基因具有功能,占基因组总基因数目的80.9%。直系同源蛋白簇(Clusters of Orthologous Groups of Proteins, COG)分析结果显示有1618个蛋白编码基因成功获得COG功能注释,占基因组总基因数目的70.1%。进一步的功能分析结果显示该菌株基因组具有完整的糖酵解,糖异生途径,同时含有完整的三羧酸循环、磷酸戊糖途径等代谢通路。另外还含有大量的ABC Transporter以及胞外酶类基因,与菌株L198T营异养生活的特性相吻合。另外在基因组中发现与硫氧化代谢相关的基因簇(soxDCAXBXAZY),与该菌株的硫代硫酸盐氧化特性相符合。从GBS热泉培养获得绿弯菌门一个潜在新纲TK17类群的第一个纯培养物,对代表性菌株G233的生理特征和基因组进行了研究,并对该类群的生态分布进行了探索。菌株G233最适生长温度在55-60℃,细胞呈杆状,大小为0.2-0.4μm X2.0-3.0μm。通过全基因组测序,得到菌株G233的基因组草图,大小为2.74 Mbp, GC含量为69.37%,共计1个scaffoldings,预测含有2656个蛋白编码基因,51个RNA基因,编码区占全基因组的92.05%,预计共有2172个蛋白编码基因有功能,占基因组总基因数目的80.24%。通过分析公共数据库中与TK17类群相关的16S rRNA基因序列信息,发现该类群在全球范围内具有较广泛的生态分布,可能在海洋环境中丰度较高；系统发育分析表明TK17类群至少包含4个目一级别的分类群,其中菌株G233代表着TK17_O_mlel-48分类群；TK17类群在全球地热系统中均有分布,但其丰度相对较低。本研究揭示了美国西部大盆地热泉系统中可培养高温细菌的多样性,特别是栖热菌类群、绿弯菌门TK17类群的多样性,生理功能及基因组特征,对于我们进一步理解热泉高温环境微生物多样性,栖热菌类群在热泉高温环境中的潜在生态功能以及TK17类群的生态分布具有重要意义。
【关键词】：热泉 高温微生物 栖热菌 绿弯菌TK17类群 多样性 生态功能 生态分布 大盆地
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q938
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 综述9-20
• 1.1 极端环境和极端微生物9-10
• 1.2 高温微生物及其研究意义10-12
• 1.3 栖热菌类群及其研究进展12-14
• 1.4 绿弯菌门潜在新纲TK17类群14-15
• 1.5 美国大盆地(Great Basin)地热区15-17
• 1.6 美国大盆地(Great Basin)地热区热泉微生物研究进展17-19
• 1.7 本研究的目的与意义19-20
• 第二章 美国大盆地四热泉可培养高温细菌多样性分析20-41
• 2.1 热泉样点基本信息及样品采集20-22
• 2.2 材料与方法22-25
• 2.2.1 分离培养基22-23
• 2.2.2 分离方法及培养条件23
• 2.2.3 菌株的纯化与保藏23-24
• 2.2.4 菌株基因组DNA的提取以及16S rRNA基因的扩增与测序24
• 2.2.5 菌株16S rRNA基因序列处理与多样性分析24
• 2.2.6 基于菌株16S rRNA基因序列的初步鉴定与系统发育分析24-25
• 2.3 结果与讨论25-40
• 2.3.1 分离菌株多样性及系统发育分析25-34
• 2.3.2 不同样点之间分离菌株多样性比较34-36
• 2.3.3 不同培养温度之间分离菌株多样性比较36-37
• 2.3.4 不同分离培养基之间分离菌株多样性比较37-38
• 2.3.5 潜在新分类单元38
• 2.3.6 美国大盆地与中国腾冲热泉可培养细菌多样性比较38-40
• 2.4 本章小结40-41
• 第三章 美国大盆地热泉Thermus类群多样性及其潜在生态功能研究41-59
• 3.1 材料与方法41-44
• 3.1.1 实验菌株与培养41
• 3.1.2 Thermus菌株多样性分析41-42
• 3.1.3 Thermus菌株反硝化功能检测42
• 3.1.4 Thermus菌株铁还原功能检测42
• 3.1.5 Thermus菌株砷氧化功能检测42-43
• 3.1.6 Thermus菌株硫氧化与还原功能检测43-44
• 3.2 结果与讨论44-57
• 3.2.1 Thermus菌株多样性评价44-52
• 3.2.2 Thermus菌株反硝化特性52-53
• 3.2.3 Thermus菌株铁还原特性53-55
• 3.2.4 Thermus菌株砷氧化特性55-56
• 3.2.5 Thermus菌株硫氧化与还原特性56-57
• 3.3 本章小结57-59
• 第四章 Thermus属两个新菌株的鉴定及全基因组分析59-80
• 4.1 材料与方法59-66
• 4.1.1 实验材料59
• 4.1.2 菌株培养特征及形态观察59-60
• 4.1.3 菌株生理生化特征实验60-61
• 4.1.4 菌株化学分类特征实验61-65
• 4.1.5 菌株分子分类特征65-66
• 4.1.6 菌株L198~T全基因组测序与拼装66
• 4.1.7 菌株L198~T全基因组注释与分析66
• 4.2 结果与讨论66-79
• 4.2.1 菌株系统发育位置66-68
• 4.2.2 菌株培养特征及形态68-69
• 4.2.3 菌株生理生化特征69-70
• 4.2.4 菌株化学分类特征70-72
• 4.2.5 菌株L198~T全基因组特征与分析72-79
• 4.2.6 菌种描述79
• 4.3 本章小结79-80
• 第五章 绿弯菌门潜在新纲TK17的全基因组及生态分布研究80-91
• 5.1 材料与方法80-81
• 5.1.1 实验材料80
• 5.1.2 菌株G233培养特征及形态观察80
• 5.1.3 菌株G233系统发育分析80
• 5.1.4 绿弯菌门TK17生态分布分析80-81
• 5.1.5 菌株G233全基因组测序、拼装、注释与分析81
• 5.2 结果与讨论81-90
• 5.2.1 菌株G233培养特征及形态81
• 5.2.2 菌株G233系统发育位置81-84
• 5.2.3 绿弯菌门TK17生态分布84-86
• 5.2.4 菌株G233全基因组特征86-90
• 5.3 本章小结90-91
• 总结与展望91-94
• 参考文献94-104
• 成果目录104-105
• 致谢105

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