深海热液区化能自养菌Caminibacter profundus氢酶在能量代谢中的作用及其对环境变化的响应特征

摘要

深海热液区具有高压、寡营养、黑暗以及温度、H2含量、O2含量、盐度、pH值等急剧变化等特征。化能自养的氢细菌广泛分布于深海热液区，以溶于热液流中的H2为能源，通过氢酶催化H2的氧化获得能量，将CO2转化为简单的有机质，是深海热液生态系统的初级生产者，并在碳和能量循环中承担着重要的作用。
　　 本文以深海热液区化能自养的变形杆菌Caminibacter profundus strain DSMZ 15016为研究对象，通过比对Caminibacter mediatlanticus TB-2(AY691430)，Caminibacter hydrogeniphilus AM1116(AJ309655)，Nautilia lithotrophica 525(AJ404370)，Nautilia sp.Am-H(AF357197)，Lebetimonas acidiphila Pd55(AB167820)5种深海热液区化能自养菌氢酶类型I的大亚基（hynL）基因序列，设计引物，克隆了类型I NiFe氢酶的大亚基基因hynL序列，并进行生物信息学分析。对菌株进行电镜扫描和能谱分析，并研究了菌株生长、甲基紫晶(MV)还原氢酶活性以及hynL表达对培养时间、培养温度、H2含量、O2含量、海盐浓度和pH值变化的响应特点。
　　 结果表明，从C.Profundus克隆获得864 bp的hynL基因片段，其编码的氨基端序列与Lebetimonas acidiphila的相似性为99％，与热液区化能自养Epsilonproteobacteria D类群的类型I NiFe氢酶大亚基属于同一进化分支。
　　 扫描电子显微镜能谱分析表明C.Profundus菌株表面有S和Fe元素沉积，提示菌株可能以氢酶催化氢气产生H+，进而产生H2S，并与Fe2+反应生成FeS沉淀。菌株的倍增时间为6 h，12 h进入指数生长早期,24 h进入指数生长中期,72-120 h处于平台期，生物量在培养72 h达到最大量为4.73×107 cell/mL，培养120 h生物量有所下降。菌株生长的范围为25-65 ℃(最适为55 ℃)；海盐浓度0 gL-1-50 gL-1(最适为30 gL-1)；pH1.8-7.2(最适pH为5.5)，厌氧—1.0％ O2含量（最适为0.3％ O2含量），氢气含量0％-80％（最适为60％）。
　　 甲基紫晶（MV）还原的氢酶活性于培养12-24 h时迅速上升，在指数生长中早期（24 h）达到最高,24-48 h迅速下降并在72 h后下降趋势趋于平缓。在培养24 h时，MV还原的氢酶最大活性分别培养温度55 ℃，60％ H2含量，0.3％ O2浓度，海盐浓度30 gL-1和pH5.5。
　　 HynL基因表达量于培养6-12 h时迅速上升并于菌株指数生长早期（12 h）达到最高，12-24 h时hynL基因表达量迅速下降,48 h后下降趋势趋于平缓；hynL基因最高表达量的时间提前于氢酶活性最高时的培养时间，当平台期菌体生长速度趋于零时，氢酶的表达及活性急剧下降，说明氢酶直接影响了菌株的生长繁殖。hynL最适的相对表达量为培养温度55 ℃，60％ H2含量，0.3％ O2浓度，海盐浓度30 gL-1和pH5.5，与MV还原的氢酶活性及生长趋势对环境因子的响应特点呈一致趋势。
　　 论文研究结果表明：C.Profundus通过调控hynL的表达，应对热液区不同环境因子的变化，进而影响能量代谢催化过程和菌株的生长繁殖。论文为揭示深海热液区的地球化学循环的分子机制以及探索生命起源与演化提供理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

第2章 深海热液区化能自养菌Caminibacter profundus生长对环境因子的响应特点

第3章 深海热液区Caminibacter profundus氢酶酶活对环境因子的响应特点

第4章 深海热液区Caminibacter profundus strain DSMZ 15016 rTCA循环氢酶基因的克隆与序列特征

第5章 Caminibacter profundus氢酶基因的表达对环境因子的响应特征

第6章 结论与展望

参考文献

致 谢

在学期间主要科研成果