低能氮离子注入介导沙漠寡营养细菌全基因组突变及定向进化的分子机制

The low energy nitrogen ion implantation induced exogenous DNA genetic transformation has become an effective means for distant and super distant interspecies communication of genetic materials. In this project, the exogenous polymorphic DNA fragments were transformed into desert oligotrophic bacteria by low energy nitrogen ion implantation to obtain nitrogen ion implantation parameters of the whole-genome mutation and thus established a new method that used desert oligotrophic bacteria as a model microorganism for whole genome mutation investigation, so as to further reveal the molecular mechanisms of the mutation that caused by ion implantations. Total DNA and Carboxydismutase gene (Rubisco) of photolithotrophical bacteria were transformed into desert oligotrophic bacteria which in whole-genome mutation status by nitrogen ion implantation. Through innovative multi-factor high-throughput selective screening to obtain recombinant desert oligotrophic bacteria with both functions of carbon and nitrogen fixation, and achieved the purpose of the directed evolution of the genome; and further for the investigation of carbon and nitrogen fixation efficiency and the molecular mechanism of the synergistic regulation in recombinant desert oligotrophic bacteria. This Project will provide new ideas, methods and theoretical basis for carbon sink engineering in desert, and will provide an additional means for the research and applications of synthetic biology by low energy ion implantation.

低能离子注入介导外源DNA的遗传转化已成为远缘、超远缘物种间遗传物质交流的有效手段和方法。本项目通过低能N+注入介导外源多态性DNA片断转化沙漠寡营养细菌，获得其全基因组突变的N+注入参数，建立以沙漠寡营养细菌为模式的离子注入原核微生物全基因组突变的新方法，揭示离子注入导致其全基因组突变的分子机制；利用N+注入介导光能无机自养细菌总DNA和核酮糖二磷酸羧化酶(Rubisco)基因转化处于全基因组突变状态的沙漠寡营养细菌，通过创新的多因子高通量选择性筛选，获得具备固碳固氮功能的重组沙漠寡营养细菌，实现其基因组定向进化的目的；研究重组沙漠寡营养细菌的固碳效率、固氮效率及其协同调控的分子机制。通过本项目的研究，将为二氧化碳的微生物固定和沙漠碳汇工程的研究提供新的思路、方法和理论依据，将为低能离子注入介导的合成生物学的研究与应用提供新的途径。

低能离子注入介导外源DNA的遗传转化已成为远缘、超远缘物种间遗传物质交流的有效手段和方法，而抗逆性强的沙漠寡营养细菌（DOB）在沙漠生物结皮的进程中起着至关重要的作用。本项目通过低能N+注入介导外源DNA转化DOB，获得了三种DOB菌株的全基因组突变（WGM）的注入参数和外源基因转化参数。通过创新的三种多因子高通量选择性筛选方法，获得了具备固碳固氮功能的离子束重组DOB菌株44株，对其中3株进行了全基因组De novo测序，应用生物信息学方法分析了离子束重组DOB菌株碳氮代谢及其调控的分子机制，并从基因组的基因数量、拷贝数变异（CNV）、功能基因和结构基因突变与进化、非编码RNA基因突变与进化以及全基因组的单核苷酸多态性（SNP）、直系同源簇（COG）和代谢网络、共线性、同源基因、基因家族、基因组岛、全基因组系统发育与进化等方面揭示了离子注入驱动DOB全基因组突变与进化的分子机制。通过本项目的研究，建立了以DOB为模式的低能N+注入驱动原核微生物的WGM的新方法，实现了DOB基因组定向进化的目的。..本项目研究期内，发表了标注本项目资助号的期刊论文10篇。培养研究生8名。申请国家专利4项，获得国家授权专利3项。..本研究结果丰富了离子束生物技术的理论和实践，对人们深入理解离子注入与生命细胞的相互作用机制具有重要的学术意义。本研究结果为微生物固碳固氮和沙漠生物治理的研究与应用提供了新的思路、方法和理论依据，也为低能离子注入驱动的合成生物学的研究与应用提供了可行的途径。..生物进化一直是一个最有魅力而又最具争议的研究领域，其中有关生物新特征（novelties）的产生又是争议的焦点。生物新特征涉及两个方面：新特征产生的结构基础，即基因组的变异；新特征形成的生化基础，即基因表达调控的机制，涉及系统发育与分子进化。本研究结果证实低能离子注入引发微生物基因组变异，并驱动加快其进化速度，增加其多样性，增强其适应性，这对微生物的系统发育、遗传多样性和分子进化的研究具有十分重要的分子生态学意义。