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转录组学分析铁氧化嗜酸硫杆菌Acidithiobacillus ferriphilus硫氧化机制

范维  
【摘要】:硫化矿物尾矿长期堆积在矿区,直接与氧气和水接触,在自然风化的作用下容易产生含有大量重金属离子的酸性矿山废水(AMD),嗜酸性硫杆菌等细菌参与会大大加快硫化矿物的氧化。本论文对课题组分离的氧化亚铁硫杆菌Acidithiobacillus ferroocidans Z1进行16S rRNA鉴定及系统发育树构建发现,该菌与第四类(Group IV)氧化亚铁硫杆菌标准菌株Acidithiobacillus ferriphilus M20T的亲缘关系更近,初步命名为A.ferriphilus SCUT-1。氧化亚铁硫杆菌是化能自养菌,能够氧化利用亚铁离子和无机硫化物。对氧化亚铁硫杆菌的硫氧化机制研究,能够更好地了解AMD形成的微生物参与机制,为AMD形成及治理研究提供理论依据。本研究将A.ferriphilus SCUT-1培养在9K-FeS04培养基中,在对数期收集菌体,提取基因组,在Illumina HiSeqXten平台进行双端测序,基因组测序结果进一步验证将本研究细菌分类为A.ferriphilus的准确性,也通过基因组测序找到该细菌基因组中与其利用的基质硫、亚铁相关的基因。之后分别将该细菌培养在9K-FeS04,9K-S0,9K-FeS2培养基中,对其生长情况及基质利用情况进行监测,在其菌体生长最旺盛时期分别提取3个RNA样本,分别标记为F-1、F-2、F-3;S-1、S-2、S-3;FS-1、FS-2、FS-3,进行 RNA-Seq 测序分析。利用Illumina HiSeqTM 2500高通量测序平台测序,每个样本获得约2.5 Gb的高质量数据。设置3个比对组(FeS2/Fe2+,S0/Fe2+和FeS2/S0),使用EdgeR软件包结合CPM(counts per million),设定差异倍数阈值IFold Changel≧1.5,FDR0.05筛选各比对组中的显著差异表达基因。通过对三个比对组筛选的差异基因进行分析,以期找出实验菌株参与硫氧化的相关基因。发现参与编码硫氧化复合物Sox的基因soxY-Z-B,编码异二硫化物还原酶系(HdrA-B-C,TusA)的基因簇hdr A-B-C、tusA,编码参与亚硫酸盐氧化的SoeABC复合物的soeA,soeC,以及编码电子传递酶系组分的基因簇cyo A-B-C-D的表达量均在含硫的营养基质条件下显著上调,这些基因均受到无机硫化物的显著诱导。对测序分析所得的显著差异表达基因进行了 GO和KEGG pathway生物通路分析,结果显示硫代谢和氧化磷酸化途径在硫氧化的条件下显著富集,参与到硫氧化的过程中。基于acidithiobacilli这个属的其他研究较为深入的菌种的硫氧化研究基础和模型,以及本实验得到的实验菌株硫氧化相关基因和通路,构建了实验菌株硫氧化的基本模型,在目前已报道的acidithiobacilli这个属的菌种的硫氧化模型中,A.ferriphilus SCUT-1的硫氧化模型组分和电子传递通路与Quatrin等人提出的 A.ferrooxidans ATCC23270的硫氧化模型最为相近。本论文首次对A.ferriphilus进行全基因组测序,基于基因组测序的序列,通过RNA测序以及比较转录组分析得到A.ferriphilus SCUT-1硫氧化相关组分,初步构建A.ferriphilus SCUT-1硫氧化反应通路,该研究内容也极大地丰富了acidithiobacilli的硫氧化机制研究的基础。


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