基于基因组的赤杆菌科细菌分子系统发育及其分类标准研究

Erythrobacteria are aerobic heterotrophs and some of them are phototrophic. They play an important role in ocean carbon cycle and energy metabolism. Currently, the Erythrobacteriaceae consists of six genera and 51 species and its traditional taxonomic status needs to be adjusted. Base on our previous studies on the genome and taxonomy of the type strains within the family Erythrobacteriaceae, phylogenetic relationships at genome level were determined and the evolution time of the branches were revealed in order for illuminating the natural evolution relationship of different groups. According to the phylogenetic results as well as the data from taxonomy study, the key taxonomic markers will be established, the taxonomic system will be proposed and new molecular tags will be investigated in order for solving the challenges in Erythrobacteriaceae taxonomy. Important metabolism pathway and key genes involved will be analyzed and the genetic principle of the key characters will be discussed in order for proposing a minimal taxonomic standard. This study will contribute to a novel taxonomic system, propose a new standard and standardize the study of taxonomy for the family Erythrobacteriaceae. It will also be beneficial for investigating the molecular of bacterial physiology progress, and the mechanism of cell adjustment and environmental responses, improving the theory and technique of bacterial taxonomy and developing the bacterial taxonomy in the age of genome.

赤杆菌营好氧异养生长，部分兼具光合作用功能，在海洋碳循环和能量代谢中具有重要作用。目前赤杆菌科由6个属51个种组成，其分类体系正面临调整。项目拟在前期已开展部分赤杆菌模式菌株基因组与分类研究基础上，测定现有模式菌株及代表菌株的基因组，分析基因组水平的系统发育关系，揭示分支演化时间——进而明确不同类群的自然演化关系；依据系统发育结果并结合分类特征，寻找并归纳关键分类指标，重建分类体系，挖掘新分子标记——进而解决赤杆菌科分类问题；解析重要代谢通路与关键基因，探讨关键特征差异的遗传学机制——进而确立最低分类标准。项目实施将有助于建立赤杆菌科细菌的分类新体系，提出分类新标准，规范该科今后分类研究；还将有助于探知细菌生理过程的分子基础、细胞适应和环境应答机制，完善细菌分类学理论和技术，促进基因组时代的细菌分类学发展。

赤杆菌科细菌数量多、分布范围广，多数分离自真光层海水或湖水，部分具有光合功能，是研究海洋细菌演化机制的良好材料。前期基于16S rRNA基因序列的传统分类体系仍存在一系列分类问题，导致对赤杆菌科表型与基因型特征关联性、以及表型可塑性的遗传学机制等方面认识不足。本研究基于赤杆菌科模式株的基因组，采用多学科交叉手段，在生物资源、分类理论与表型特征分子机制中取得了一系列新认识。主要工作如下：（1）获取了74株赤杆菌科模式株的全基因组信息，通过比较基因组学和系统发育学分析，结果显示该科可划分为16个属；基因组相似性和进化距离等指标的线性回归分析表明，平均氨基酸一致性（AAI）和进化支长回归系数最高，发现同属类群的AAI通常高于70%和进化支长通常低于0.4，据此提出了属级分类单位的新指标及阈值。（2）完成了3个赤杆菌科新物种的多相分类研究，公布了2个赤杆菌科模式株的基因组完成图，基因组学分析结果表明，赤杆菌科细菌代谢途径多样，具有细菌叶绿素a合成、酯（脂）类物质水解、磷酸盐水解等代谢途径，在生物地球化学循环中具有重要作用。（3）光合基因簇与鞭毛合成基因簇可作为区分不同属的分子标记，其中光合基因簇基因排列顺序保守，其GC含量与菌株基因组GC含量基本一致，推测光合基因簇演化历程与基因组演化历程相一致，光合基因簇的水平基因转移概率低，其可作为筛选赤杆菌科光合类群的分子标记之一。（4）完成了3个赤杆菌科酯酶的应用潜力评价，发现其普遍具有耐盐、耐有机溶剂、耐重金属能力和良好的热稳定性，并发现丙氨酸替换甘氨酸或丝氨酸可提高酶的嗜热能力，揭示了酯酶水解表型的遗传学机制。项目执行期间，发表SCI期刊论文17篇（中科院2区及以上期刊论文8篇），发表北大核心期刊论文1篇，参编英文专著1章节，授权国家发明专利3件；项目主持人入选省部级人才项目，项目成员2人次晋升高级职称，1人获得博士学位，2人获得硕士学位。