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珠江沉积物中微好氧化能自养硫氧化细菌的筛选、鉴定及基因组分析

李素荣  
【摘要】:硫氧化细菌在地球的碳氮硫循环中起着非常重要的作用,而目前对硫氧化细菌的研究主要集中在好氧硫氧化细菌和厌氧硫氧化细菌,对微好氧硫氧化细菌的研究较少,而且对微好氧硫氧化细菌的代谢通路及微氧硫氧化机制的研究存在不足。本论文以珠江广州段河水底泥表面沉积物为样本,对微氧硫氧化细菌进行定向富集,并利用高通量测序技术跟踪富集过程中的细菌群落结构变化,通过筛选得到能进行微好氧自养生长的硫氧化细菌;针对筛选得到的一株新的微好氧硫氧化细菌LSR1进行生理生化和遗传学特性的研究,确定其为一个新的硫氧化细菌属;通过全基因组测序技术对硫氧化细菌LSR1的主要代谢通路及调控机制进行研究。主要结果如下:以微氧条件对珠江表面沉积物的硫氧化细菌进行富集,高通量测序结果显示,富集物细菌群落丰度随富集过程逐渐减小,硫氧化细菌所占的比例不断上升,最终富集物中主要的硫氧化细菌包括Thiobacillaceae_unidentified、Sulfuricurvum、Geothrix、Bacillus、Thiofaba和Thiomonas。从最终富集物中筛选得到8株硫氧化细菌,与Thiomonas、Zoogloea、Azonexus、Pseudomonas、Sulfuritortus这五个属具有较高同源性,其中LSR1与Sulfuritortus calidifontis J1A相似性低于95%。对硫氧化细菌LSR1进行多相分类学鉴定,发现菌株LSR1为革兰氏阴性菌,最适生长温度为25℃-30℃,最适生长pH为6.5-7.0。能在微氧条件下生长,也能以硝酸盐为电子受体在厌氧条件中生长。能利用NaHCO_3作为碳源,硝酸盐、N_2和铵盐作为氮源,硫代硫酸盐和低浓度硫化物(2mM Na_2S)作为硫源生长,外加实验所用的其他有机碳源、亚硝氮盐和硫源时不生长。结合系统进化树分析,将LSR1分类学地位确定为Thiobacillaceae科下新的属。对硫氧化细菌LSR1进行基因组学研究,结果显示菌株LSR1基因组大小为3.2 Mb,含有3,219个基因。基因组注释结果表明LSR1含有硫化物、硫代硫酸盐、亚硫酸盐的硫氧化途径,不含完整的TCA循环;LSR1利用硝酸盐的主要方式为异化的硝酸盐还原途径,基因组含有多种固氮酶,及固氮酶调控基因,氧气缺乏及氮源稀少都会促进固氮基因的表达量;LSR1含有两种高氧亲和性的末端氧化酶,cbb_3氧化酶与bd氧化酶,电子传递链的电子供体为硫的氧化,微氧时电子最终受体为氧气,厌氧时最终电子受体为硝酸根与亚硝酸根,高氧气含量会抑制cbb_3氧化酶基因的表达,高氧化还原压力会促进cbb_3氧化酶基因、bd氧化酶基因及电子传递链基因的表达量;LSR1含有氧化物歧化酶基因、过氧化物酶基因、过氧化氢酶基因等抗氧化基因,能够维持菌株LSR1的微好氧生长。


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