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云南三种特色地质区域放线菌多样性及生物合成潜力研究

李沁元  
【摘要】:在实验室多年开展放线菌资源及其天然产物研究的工作基础上,针对“新产地、新技术、新菌种、新基因、新产物、新用途”的科学理念所涉及的科学与技术问题,选择云南元江彩色膏林、元谋土林、陆良彩色沙林作为研究样区,采用免培养和纯培养技术相结合,系统揭示三个区域的放线菌多样性及其与环境因子的相关性,并通过抗菌活性及多种类型功能基因筛选,建立区域放线菌菌种资源库与菌种目录;此外,对其中有潜力的菌种进行基因组测序,预测其次生代谢产物合成基因簇,从而达到为药物先导化合物的开发提供新的有开发意义的菌种资源的目的。所开展研究具有科学研究价值和良好的应用前景,不仅为微生物天然药物的开发和利用奠定理论、方法与技术基础,也为放线菌资源的利用提供原始菌种实物。首先,所选取的三个不同样区土壤样品按照采样季节、样品特征和采样区域进行分组,进而对样品进行细菌16S rRNA V3-V4区的高通量测序分析,并结合不同样区的环境因素和土壤微环境,全面了解不同样区细菌,特别是放线菌群落的组成和空间分布。经过物种注释,三个样区分别获得了 1770、1829和1794个OTU,显示了三个样点都具备可观的物种多样性和丰富度,特别是放线菌在三个样区所检测到的细菌类群中都属于优势菌群,共检测到了 80多个放线菌属。在环境因素的影响下,三个样区放线菌类群的物种丰度有较大差异,元江膏林样区Rubrobacter和Arthrobacter丰度最高,元谋土林中除Arthrobacter丰度最高外,Intrasporangiaceae、Pseudonocardiaceae也占据了较大比例,而陆良沙林样品中则以Micrococcales和Solirubrobacterales为优势放线菌种群。三个样区放线菌组成除了在空间上的差异,在不同采样时间上也表现出较为明显的种群丰度差异。高通量测序结果体现了三个样区巨大的放线菌资源开发潜力,也为纯培养分离提供了重要的放线菌资源信息。其次,利用选择性分离方法对三个样区的土样进行了放线菌分离和鉴定。共获得了 1381株放线菌,其中元江膏林样区394株,元谋土林样区545株、陆良沙林样区442株。这些放线菌分属于11个放线菌目、24个放线菌科和60个放线菌属,体现出丰富的物种多样性。同时,每个样区都体现出各自独特的可培养放线菌种群组成结构,除了常见放线菌属所占比例差异较大外,还分离得到了各自特有的放线菌属。在丰富的放线菌种群多样性基础上,每个样区都获得了许多潜在的新分类单元:膏林样区29株、土林样区44株以及沙林样区37株。对其中5株进行了多相分类研究,确定了Kineococcuss新种三个:Kineococcus gypseus sp.nov.,Kineococcus terrestris sp.nov.和Kineococcus aureoles sp.nov.,一个Prauserella新种Prauserella flavalba sp.nov.和一个Glycomyces新种Glycomyces terrestris sp.nov.。最后,经筛选与去除重复后,分别对600余株放线菌进行抗菌活性和功能基因筛选。结果显示,从云南三种特色地质地貌区域分离获得的放线菌不仅具备丰富的物种多样性而且表现出巨大的抗菌活性潜力和次生代谢产物基因多样性,同时显示出不同放线菌属的抗性或基因谱差异。研究不仅为天然产物的开发提供了大量的菌种资源,而且不同样区不同种群生物合成潜力的差异也将有助于认识这些微生物的生态、适应与进化方面的科学问题。通过antiSMASH预测平台,对7株放线菌的基因组次生代谢产物基因簇进行了预测,结果展现出不同种属放线菌次生代谢产物基因簇的丰度和多样性,其中最为突出的是菌株YIM 122051,具有59个生物合成基因簇,且很多基因簇与已知的具备研究价值的天然产物基因簇相似性较高或具有相同的核心基因,具有较好的研究价值和开发潜力。此外,根据生物合成基因簇的信息,从YIM 121209-2菌株中分离得到了新化合物。综上所述,本研究所选择三个样区都蕴含有丰富的放线菌资源,独特的地理环境、地貌特征和差异较大的环境因子,为天然产物的开发提供了丰富的菌种资源和基因库,值得进行深入的研究和开发。


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