青藏高原冰川环境中可培养优势菌Arthrobacter生理和基因组特征研究

As one of most widely distributed group in glaciers of Tibetan Plateau, Arthrobacter is a key breakthrough in study the environmental impacts on physiological and genomic feature of microorganism. Preliminary research about physiological and genomic characters of two glacier strain shows that bacteria expanded the minimal growth temperature, prefer simpler forms of carbohydrates and able to synthesis a variety of pigment, under the impact of glacier environment. Historically, genomes of the glacier bacteria harbored more copies of genes cold assigned to encode shock protein, metabolism of monosaccharides and pigment synthesis via duplication and horizontal transfer.Based on these achievement, the present study aimed to focus on the dominant groups Arthrobacter. This project take aim at systemically study the growth temperature, carbon source utilizing, pigment and fatty acid synthesis, as well as gain and lose of genes during evolution. The final goal is to reveal the mechanism the glacier environment impact on the physiological and genomic feature of Arthrobacter.

Arthrobacter属菌株在青藏高原不同冰川中分布十分广泛而且是一类优势菌，是研究冰川环境对微生物影响的理想突破口。申请人对两株冰川细菌进行了预研究，发现冰川细菌在受到长期低温、缺乏碳源和强辐射的影响下，产生了拓展最低生长温度，偏好利用小分子单糖作为碳源和合成多种色素的适应性特征，其基因组则通过复制和水平转移增加了冷休克、单糖代谢和色素合成等基因的拷贝数。本项目拟选取东绒布、蒙达岗日、扎当和玉珠峰这4个冰川中的Arthrobacter属菌株作为研究对象，通过生理学和比较基因组学的分析手段，揭示1)冰川细菌对小分子单糖和多糖利用的偏好性、生长温度范围、色素和脂肪酸组成特点；2)冰川细菌基因组中碳源代谢基因、冷休克基因、色素合成基因和脂肪酸合成基因的序列和数量得失情况。最终回答在青藏高原冰川寒冷、寡营养和强辐射环境影响下优势菌Arthrobacter有哪些生理和基因组特征这一科学问题。

青藏高原是中纬度地区冰川分布最为广泛的地区，是研究冰川环境对微生物群落、生理、基因组特征影响的理想区域；同时也是研究气候变暖是如何影响冰川环境微生物群落和功能的理想区域。但因冰川环境的低温属性，这里也是许多非低温环境特有性类群的避难所，如何准确区分低温环境特有类群和非特有类群是冰冻圈微生物研究的一个难题。为解决这一难题，建立了准确定位出冰川环境特有类群的方法，从32个从寒冷环境分离的菌株中，定位出包含有10株菌的低温环境特有类群。通过蛋白质热稳定性曲线预测证实了寒冷环境特有类群的菌株通过氨基酸序列的改变增强了低温活性，但是降低了高温耐受性。通过25 °C, 5 °C 和-1 °C培养实验，验证了低温环境特有类群相对于参照菌株有着更高的低温活性的同时降低了高温活性。比较基因组学分析发现,硫代谢、单糖代谢、色素合成和渗透压调节相的基因是低温环境特有类群适应性的关键基因。随后我们下载了全球不同气候类型(极地气候、寒温带、温带和热带)的1158个宏基因组数据，通过分析特有类群在不同气候带之间的变化规律，验证了低温环境特有类群作为气候变化指示器的有效性和准确性。结果发现，较高比例的寒冷环境特有类群匹配序列在极地/山地宏基因组中是斑块分布的。但是这种较高比例一旦出现，其比例要显著高于温带和热带。而且比例在不同的气候带中表现出稳定的趋势。我们的结果显示随着环境温度的改变，低温环境特有类群有着很高的丧失风险，预示着它们可以作为评估由气候变化导致的微生物群落改变和多样性丧失的指标。 并且它们在极地环境中稳定的比例表明它们作为评估指标具有很高准确性。此外，我们还研究了与本项目有关的7个冰川和7个湖泊分离的除Arthrobacter属之外其它重要类群(如Dyadobacter和Cryobacterium)，发现冰川细菌产生的色素类型主要为：α-和β-carotene, diatox-anthin, peridinin, zea/lutein, butanoyloxy, fucoxanthin 和fucoxanthin，其中40%的菌株都能产生α- carotene，其次是diatoxanthin (28%)；冰川菌特有的一碳代谢途径；基因水平转移是微生物适应冰川低温、寡营养和强紫外辐射环境的主要驱动力。