微小杆菌属分类学及环境适应机制研究

Exiguobacterium spp. are distributed in a wide variety of environments and the Exiguobacterium strains possess important ecological value and unique properties for applications. However, the identification and phylogenetic relationships of bacteria within the genus Exiguobacterium are controversial. The Exiguobacterium strains have different adaptability to cold、heat、salt and alkali environment, but there is little known about molecular mechanisms of environmental adaptation. This study takes the Exiguobacterium strains isolated from different marine environments, the Exiguobacterium type strains and the Exiguobacterium strains with whole-genome sequences publicly available as research materials. The taxonomic status of Exiguobacterium spp. is studied by using multi-locus sequence analysis (MLSA), average nucleotide identity (ANI) measurement and genome blast distance phylogeny (GBDP) approach on the basis of the whole-genome sequences. The evolutionary mechanisms and genomic attributes that may correlate with adaptations of organisms to diverse environments are further investigated by the comparative genomic analysis and molecular evolutionary analysis based on our previous research. This study is the first to re-evaluate taxonomic status of the Exiguobacterium genus and gains insight into their evolutionary strategies for environmental adaptations at genome level.

微小杆菌属分布十分广泛，具有重要的生态价值和应用潜力。然而目前该属的分类地位不明确，属内物种鉴定和系统发育关系也仍存在争论。微小杆菌属不同物种对于环境中的冷、热、盐和碱具有不同的适应特性，但对其环境适应机制方面了解得很少。本项目拟以从不同海洋环境分离得到24株微小杆菌，该属模式菌株和公布全基因组序列的微小杆菌为研究对象，采用基于全基因组的持家基因序列多位点序列分析（MLSA ）、平均核苷酸同源性测定（ANI）和基因组序列比对距离的系统发育（GBDP）方法等研究微小杆菌的分类地位。并采用比较基因组学和分子进化手段，在前期研究的基础上深入探究不同的环境适应相关的进化机制和基因特性。本项目首次从全基因组角度重新评估微小杆菌属的分类地位和了解微小杆菌适应环境的进化机制。

微小杆菌属分布十分广泛，能在陆地和海洋等不同的栖息环境中生存。为了探究微小杆菌属的生态多样性，我们从不同环境中分离了98株微小杆菌，进行了大范围的代谢，适应能力测定和比较基因组分析。我们发现绝大部分微小杆菌具有广泛的温度，盐度和pH 适应能力。根据全基因组序列构建的系统发育树和 ANI 分析，98株我们分离的微小杆菌和该属目前已发表的17个新种，被分成2个大类群（Group I 和 Group II），共分为26个分类单元，其中E. enclense NIO-1109T和E. indicum HHS31T之间ANI值为97.8%，应重新合并为同一个物种；E. antarcticum DSM 14480T和E. soli DVS 3yT之间ANI为98.6%，应重新合并为同一个物种。通过比较基因组学分析，微小杆菌成员不但能广泛利用复杂的多糖和蛋白质，还有大量的伴侣蛋白和转运蛋白来支持它们生存在不同的极端环境中。尤其是我们发现转运蛋白家族的扩张驱动了基因组的扩张。此外，我们发现 Group I 类群的成员比Group II 类群基因组更大，能在更多的环境下生存。Group I 类群成员的全基因组中预测到25个涉及到有机物或无机物运输和抵抗环境压力的转运蛋白家族，可能有利于该属更广泛的分布。群体基因组分析进一步揭示了微小杆菌复杂的代谢和抗逆性。本项目揭示了微小杆菌属的多样性及其全球分布的基因基础，重点突出了该属进化适应性的策略，并解释了该属不同类群适应环境的差异决定因素。