瓜伊马斯热液口可培养Thermococcales的多样性研究及Pyrococcus yayanossiCH1的基因组分析

摘要

热球菌目(Thermococcales)是一类严格厌氧、有机异养的超嗜热古菌,共包括3个属,火球菌属(Pyrococcus),热球菌属(Thermococcus)及古老球菌属(Palaeococcus)。它广泛存在于各种海洋高温硫质环境中。由于生长速度快、适应能力强,往往成为环境中的主导微生物类群。这类微生物可将单质硫还原为H2S,因而在诸多海洋高温生态系统的碳、硫循环中扮演重要的角色。瓜伊马斯海盆位于东太平洋洋中脊上,热液活动频繁。由于上层水域生产力高,大量浮游生物碎屑沉积至海底,在高温热液的作用下热解成类似于石油一样的化合物。瓜伊马斯热液口如此特殊的生态环境也孕育了特殊的Thermococcales类群。本文采用分离培养的方法对Thermococcales在瓜伊马斯热液口的多样性进行探讨,共分离得到28株热球菌,14株火球菌。火球菌的成功分离,证实在108℃-30Mpa下进行富集是一种十分有效的分离火球菌的方法。另外,由于Thermococcales的近缘菌株间16S rDNA序列高度相似,无法对不同菌株进行区分,本研究通过比较基因组学方法从基因组中筛选适用于Thermococcales类群的基因标记。Elongation factor-2(EF-2)为翻译延伸因子2,基于该基因构建的进化树能很好地反映不同Thermococcales菌株间的系统发生关系,同时又能将近缘Thermococcales的不同菌株区分开,因此在Thermococcales类群中EF-2可作为代替16S rDNA的一个基因标记。
　　 基因组包含了生物进化的信息。本文的第二部分对Pyrococcusyayanossi CH1的基因组进行分析。CH1分离水深4100m,最适生长压力52Mpa,是目前世界上唯一一株严格嗜压的超嗜热古菌。由于其最适生长压力大于原始分离环境的水压,因此推测CH1生活于海底以下3km左右的高温岩层中。CH1基因组全长1716818bp,是已测序Pyrococcus基因组中最小的一个。密码子偏好性分析显示CHl偏好于利用第三位碱基为G或C的密码子。在蛋白的氨基酸组成方面,CH1偏好于多利用甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、组氨酸、精氨酸,少利用异亮氨酸、赖氨酸、天冬酰胺。基因排列顺序分析显示,CH1的基因组与其他3株Pyrococcus在基因排列顺序方面有很大不同,但这一现象并不是插入序列及转座酶所引起的基因重排所导致。数量较少的插入序列及转座酶使CH1在最大程度上保留了原有的基因组。另外,在CH1基因组中发现一个来自葡萄热球菌属Staphylothermus的Zn依赖的醇脱氢酶,这是在热液口环境中Thermococcales类群与其它微生物间存在基因交流的直接证据。微生物间的基因交流使得优势基因在不同微生物间进行传递而最终得以保存。这种机制可能有利于微生物群落应对热液口剧烈变化的环境。COG基因功能分析结果显示,CH1代谢碳氢化合物及氨基酸的能力较弱。与此相反的是,CH1拥有较多的氢化酶和膜结合复合体,说明CH1拥有更强的呼吸能力,更偏好于利用呼吸产能。在洋壳深部的高温岩层中,地质过程可产生简单的有机物(如甲酸)、H2及甲烷,在4株Pyrococcus中唯独CH1的基因组中保留了甲酸裂解复合体及较多的氢化酶,这些证据说明CH1来自于深部生物圈,而热液的喷发将其带到海底火山口。