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微生物所在冰川低溫細菌研究領域取得新進展

作者: 發布時間:2021.01.21 文章來源:

  冰川一直是極端微生物學研究領域的熱點環境,其中蘊藏著豐富的低溫微生物,冰川生態環境賦予了冰川微生物物種、遺傳和代謝的多樣性。冰川微生物是發現新材料、新基因、新機制和新功能的理想資源。微生物所菌保中心辛玉華正高級工程師等人多年來致力于冰川低溫細菌資源的收集保藏、系統進化和生態適應機制研究,積累了我國11條冰川來源的低溫細菌菌種4000余株,在中國普通微生物菌種保藏管理中心建立了我國特色的冰川低溫細菌菌種資源庫。 
 

  在中科院微生物所東秀珠研究員帶領下,開展了對47株冰川黃桿菌 (Flavobacterium) 的多組學研究,基因組分析發現其中37株含有變形菌視紫紅質 (proteorhodopsin, PR) 基因,另外10株不含PR基因。PR蛋白是光驅動的跨膜質子泵,偶聯一個視黃醛分子,能夠接受光能,將質子從胞內泵到胞外,在細胞膜兩側形成電勢能梯度,將光能轉變為ATP目前,國際上普遍認為PR決定了黃桿菌的光促生長表型。然而,光照生長實驗發現無論是攜帶PR基因、缺失PR基因以及人工構建的PR缺失株,冰川黃桿菌均表現出光促生長特性。通過比較基因組學、轉錄組和表型實驗等分析發現,在低氧、寡營養等狀態下,冰川黃桿菌的光促生長表型與玉米黃質等色素合成相關,含玉米黃質、番茄紅素等β-類胡蘿卜素的冰川黃桿菌可以為其提供光保護、維持低溫下細胞膜功能等作用,而僅含有黃色素的冰川黃桿菌無法在光照條件下生長。該研究發現了PR可能并非國際上一直以來普遍認為的光促生長關鍵基因,可能存在新的光/氧調控機制。高山冰川一般位于高海拔地區,表層光照輻射強度大,冰川表層存在可以利用光能的細菌、藍細菌及藻類等。該研究首次發現,冰川表層優勢的非光合細菌在低氧、光照條件下生長速率顯著提高,揭示了光照對冰川表層生態系統具有非常重要的影響,發現玉米黃質等色素在冰川環境重要的生態意義,可能影響了黃桿菌在冰川表層環境的適應和種群擴散 

  

  相關研究結果2021115日,Light stimulates anoxic and oligotrophic growth of glacial Flavobacterium strains that produce zeaxanthin為題在國際主流期刊ISME Journal雜志發表。 

 

  中國科學院微生物研究所東秀珠研究員、辛玉華正高級工程師和周宇光正高級工程師為論文的共同通訊作者,劉慶高級工程師、李偉助理研究員、中科院武漢病毒所劉翟研究員為共同第一作者。該研究是繼菌保中心在冰川稀有類群Cryobacterium耐低溫適應性進化機制的發現后,又一重要進展 (Liu et al., 2020),得到了國家自然科學基金委重大研究計劃和面上項目的支持。 

  
 

  1) Liu Qing#, Li Wei#, Liu Di#, Li lingyan, Li Jie, Lv Na, Liu Fei, Zhu Baoli, Zhou Yuguang*, Xin Yuhua*, Dong Xiuzhu* (2021). Light stimulates anoxic and oligotrophic growth of glacial Flavobacterium strains that produce zeaxanthin. ISME J. 

  
 

  2) Liu Qing, Song Weizhi, Zhou Yuguang, Dong Xiuzhu*, Xin Yuhua*. (2020). Phenotypic divergence of thermotolerance: Molecular basis and cold adaptive evolution related to intrinsic DNA flexibility of glacier-inhabiting Cryobacterium strains. Environ Microbiol 22, 1409-1420. 

 

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