冰川稀有低温细菌Cryobacterium物种多样性、分类学及冷适应性研究

In recent years, some progresses have been made in the research about bacterial diversity and taxonomy in the cryosphere. However, more studies focus on psychrotrophs rather than psychrophiles, which have hindered the population genetics of cold-adapted bacteria. Lots of isolates belonged to the rare group Cryobacterium were recovered from glacier samples in our lab and showed high phylogenetic diversity. The genus Cryobacterium comprises only 8 validly species now. However, at least 20 potential novel species were found in these isolates, plenty of which are psychrophilic. These isolates are valuable resources to carry out the research both in theory and application. Firstly, this project will focus on the lineage feature and phylogenetic diversity of Cryobacterium spp. by using multilocus sequence analysis. Secondly, population genomics will be analyzed to reveal the low temperature adaptive evolution. Thirdly, lots of psychrophilic novel species will be described in this project. Fourthly, the diversity and biogeographical distribution of Cryobacterium at species level in the glacier samples will be detected by single-copy house-keeping gene high-throughput sequencing.

尽管近些年低温环境细菌资源多样性及分类学研究取得了一定进展，但其中多为耐冷菌，严格意义上的嗜冷菌并不多见 (最高生长温度小于20℃)，阻碍了对低温细菌群体遗传学的研究。稀有低温细菌Cryobacterium属目前只有八个已知物种，而申请人实验室从冰川样品中恢复培养出的大量Cryobacterium菌株显示了非常高的物种多样性，初步推测至少包括20个新物种，且含有较多嗜冷菌，是开展理论及应用研究的宝贵资源。本项目将以Cryobacterium spp. 为研究对象，利用多位点序列分析方法，揭示该属谱系特征和系统发育多样性；对代表菌株进行全基因组测序，分析该类群产生低温适应性的遗传进化机制；发掘并描述嗜冷菌新物种；同时，利用单拷贝持家基因高通量测序探讨该类群在冰川表层环境的物种多样性和在种水平的生物地理分布。

冰川环境中蕴含的低温微生物在物种、生态、遗传、代谢等方面都体现了高度的多样性，对低温微生物资源的研究能够为揭示生命起源与进化、低温适应分子机制等科学问题奠定基础。但是目前发现的低温微生物多为耐冷菌，严格意义的嗜冷菌并不多见 (最高生长温度低于20℃)。本项目选取冰川环境稀有的低温细菌Cryobacterium属为研究对象，发现大量嗜冷菌菌株，利用多位点序列分析方法，揭示该属的谱系特征和系统发育多样性以及种水平的分布规律，进一步选取代表菌株进行全基因组测序，分析该类群产生低温适应性的遗传进化机制，发掘并描述嗜冷菌新物种，为极端环境微生物生理代谢特征、生态功能及适应机制研究提供依据。主要研究成果包括：1) 本项目通过对该属持家基因特异性引物的设计和扩增，显示出比16S rRNA基因更高的物种多样性，提高了对该属菌株的准确鉴定效率，且发现该属呈现不同地域冰川来源聚集成独立系统发育分枝的现象，在种水平和菌株水平表现出更明显的地理分布模式，表明不同冰川间冷杆菌物种扩散和交流机会更低，乃至形成了遗传屏障；2) 利用多相分类学，结合基因组分类学完成了该属24个低温新物种的精确鉴定和描述工作，极大的丰富了该类群多样性的认识，且已有效发表5个新物种；3) 通过对78株代表菌株的温度生长表型实验和比较基因组学分析，发现这些菌株显示出温度耐受性的梯度差异，且具有系统发育聚集性，而这种温度耐受性差异与编码基因的GC3变异和同义密码子偏好性显著相关，由于GC3的不同，导致嗜冷菌和耐冷菌基因组DNA分子具有不同的柔韧性，以适应不同温度，进化分析发现自然选择是推动这种密码子使用偏好的主要动力。因此，本项目深入阐述了Cryobacterium的物种形成和低温适应性的分子进化机制，促进了对冰川环境细菌多样性和进化历程的理解。已发表或接受发表SCI研究论文5篇，出版学术专著1个章节，预计将在SCI期刊上再发表1-2篇研究论文。