（微生物学专业论文）蓝细菌基因组比较分析：异形胞发育进化及3’5’二磷酸核苷酸酶hala的功能研究.pdf

摘要 蓝细菌是地球上最为古老的物种之一。一些丝状蓝细菌在缺氮环境中，菌丝体 上有部分细胞会分化成专门执行固氮功能的异形胞( h e t e r o c y s t ) 。化石证据和地质 学证据表明，异形胞大约出现在2 4 亿年前，是地球上已知的最早出现的细胞分化 现象之一。 异形胞形成机制是蓝细菌研究的重要领域。最近二十多年来，发现了近百个与 异形胞发育密切相关的基因( 如氮代谢过程中的全局调控基因n t c a ，异形胞分化中 心调控基因h e t r ，固氮酶基因n i f h d k ，异形胞胞被合成基因h e p a 、h g l e 等) 和一 些小分子信号( 如2 - o g 、c a ：斗等) 。这些基因和信号分子构成了一个复杂的异形胞 分化调控网络。然而该调控网络在进化中是如何形成的却仍不清楚，与此相关的研 究也还处于空白。 在本论文中，我们用比较基因组学的方法研究了异形胞发育的进化过程。我们 检测了产异形胞蓝细菌a n a b a e n ap c c 7 1 2 0 中已知的异形胞发育相关基因( h a 基因) 在其他1 8 种蓝细菌基因组中的分布，发现大部分的h e t 基因还存在于其它不产异形 胞菌株的基因组中。根据分布情况，h e r 基因可分为以下几类：一，在多数蓝细菌 中都存在的基因；二，只在丝状菌株中存在的基因；三，只在固氮菌株中存在的基 因；四，主要在产异形胞菌株中存在的基因；五，其他分布类型的基因。利用分布 情况和序列信息，我们分析了每个h e t 基因的进化过程。结果表明，一，h e t 基因出 现在蓝细菌进化的各个阶段；二，绝大部分的h e t 基因在异形胞分化现象出现之前 就已经存在于蓝细菌基因中了；三，水平基因转移在异形胞进化过程中发挥了重要 作用。 在a n a b a e n ap c c 7 1 2 0 中，h e t r 和p a t s 共同调控了异形胞分化起始以及其在菌 丝上的分布。我们在被检测的几种不产异形胞的丝状蓝细菌中皆发现了h e t r 的表 达，并在已知基因组序列的几种丝状蓝细菌( 包括不产异形胞菌株t r i c h o d e s m i u m i m s101 和a r t h r o s p i r ap l a t e n s i s 的基因组) 中皆发现了p a t s 基因。a r t h r o s p i r ap l a t e n s & 细胞内的h e r r 蛋白在缺氮后表达增加。在a n a b a e n ap c c 7 1 2 0 中a r t h r o s p i r a p l a t e m & 的h e t r 基因( a r h e t r ) 会刺激异形胞分化，而a r t h r o s p i r a p l a t e n s 西的p a t s 基因( a r p a t s ) 会抑制异形胞分化，并且它们也分别受到与a n a b a e n a 自身h e t r 和 p a t s 类似的转录调控。此结果表明，h e t r 和p a t s 基因在产异形胞蓝细菌和不产异 形胞蓝细菌的共同祖先基因组中就已存在了，并且那时它们就已形成了相互作用的 方式。 基于上述的生物信息分析和实验工作，我们推测了异形胞发育的进化过程。在 异形胞出现之前，许多重要的异形胞发育调控因子之间就已经形成了一个基本氮利 用调控网络，异形胞的进化实质上就是一个不断获取必需的h e r 基因，并将其纳入 该网络中的过程。从根本上说，异形胞的产生是蓝细菌为了更好利用氮源而不断适 应环境的结果。本研究结果将有助于了解生物界最初的演化过程，也可以为研究高 等生物的细胞分化提供启示。 我们在螺旋蓝细菌基因组中发现了长度为9 5 7 bb p 的基因，其编码序列与酵母 和植物中的3 ，5 二磷酸腺苷5 磷酸酶( p a p a s e ) 很相似，该基因被命名为h a l a 。 p a p a s e 是硫同化途径中必需的一个酶，它负责将硫同化过程中产生的毒性副产物 3 ，5 二磷酸腺苷5 磷酸( p ! 廿) 转化为无毒性的a m p 。在真核生物中已经发现了 多个p a p a s e ，它们对l i + n a + 都非常敏感，极低浓度的l i + n a + 就可使其失去活性， 从而引起细胞内p a p 的积累，最终产生细胞毒性。作为细胞内对盐离子最敏感的酶 之一，p a p a s e 的耐盐能力往往决定了细胞的耐盐能力。 我们将h a l a 基因在ec o l i 中进行了克隆、表达和生化性质研究。酶活测定表明 h a l a 是一种m 9 2 + 依赖型的p a p a s e ，它对p a p 和3 - p h o s p h o a d e n o s i n e 5 p h o s p h o s u l f a t e ( p a p s ) 皆具有特异性的降解活性。比起大多数的p a p a s e ，h a l a 对 l i + 和n a + 具有优良的耐受性( l i + 和n a + 对h a l a 活性的5 0 抑制浓度【i c 5 0 】分别为 3 6m m o l l 和6 0 0m m o l l ) 。 结构分析显示，h a l a 与h a l 2 p 蛋白在底物结合位点存在一定差异，此差异很可 能使得h a l a 蛋白表现出更好的l i + n a + 耐受性，并对p a p 具有较弱的结合力。表达 了h a l a 的大肠杆菌在含高浓度l i + 的培养基中生长情况明显比对照好，意味着原核 生物中p a p a s e 可能同样是盐离子毒性的靶点。由于h a l a 是已知对n a + 具有最不敏 感的p a p a s e ，因此在其他生物中表达h a l a 将可能是有效提高生物耐盐能力的途径 之一。 以前关于p a p a s e 的研究工作都仅限于真核生物，我们在此首次对原核生物的 p a p a s e 进行了深入研究。此研究结果不仅可为了解原核生物硫代谢具体过程提供有 用信息，也可为将p a p a s e 进行改造以提高生物的硫同化效率及抗盐能力提供依据。 关键词：蓝细菌，基因组，异形胞，进化，h e t r ，p a t s ，p a p a s e ，耐盐 2 a bs t r a c t c y a n o b a c t e r aa r ea m o n g t h em o s ta n c i e n to r g a n i s m so nt h ee a r t h s o m es p e c i e so f f i l a m e n t o u sc y a n o b a c t e r i ac a l lf i xt h ea t m o s p h e r en 2i n t oa m m o n i u mi nh e t e r o c y s t s ，c e l l s d i f f e r e n t i a t e df o r mv e g e t a t i v ec e l l su p o nn i t r o g e nd e f i c i e n c y h e t e r o c y s td i f f e r e n t i a t i o n i st h o u g h tt oh a v i n go r i g i n a t e db e t w e e n2 , 4 5 0a n d2 ，10 0m ab a s e do ng e o l o g i c a ld a t a a n df o s s i lr e c o r d s ，a n dt h u si tc o u l db eo n eo ft h ee a r l i e s td e v e l o p m e n t a lp h e n o m e n a t h em e c h a n i s mo fh e t e r o c y s td i f f e r e n t i a t i o ni sa l la t t r a c t i v es u b j e c ti nt h er e s e a r c h a r e a so fc y a n o b a c t e r i a i nr e c e n ty e a r s ，m a n yi m p o r t a n tg e n e si n v o l v e di nh e t e r o c y s t d e v e l o p m e n t ( h e tg e n e s ) h a v eb e e ni d e n t i f i e d , s u c ha sn t c a ( g l o b a lr e g u l a t o ri nn i t r o g e n m e t a b o l i s m ) ，h e t r ( r e g u l a t o rf o ri n i t i a t i o n o fh e t e r o c y s td i f f e r e n t i a t i o n ) ，n i f h d k ( n i t r o g e n a s e ) ，h e p aa n dh g i e ( r e q u k e df o rt h ef o r m a t i o no fh e t e r o c y s te n v e l o p e ) ，e t c s o m es m a l lm o l e c u l a r ss u c ha s2 - o x o g l u t a r a t ea n dc a l c i u m ，a r ea l s os h o w nt ob e i m p o r t a n ts i g n a l sf o rh e t e r o c y s td e v e l o p m e n t w eh a v ek n o w n m u c ha b o u tt h e m e c h a n i s mo fh e t e r o c y s td i f f e r e n t i a t i o n ；h o w e v e r , h o wd i dh e t e r o c y s te v o l v ed u r i n g e v o l u t i o n ? h e r ew es t u d i e dt h ee v o l u t i o nh i s t o r yo ft h er e g u l a t o r yn e t w o r ki n v o l v e di n h e t e r o c y s td i f f e r e n t i a t i o nb yc o m p a r a t i v eg e n o m i c s m a n yh e tg e n e si na n a b a e n a p c c 712 0w e r ef o u n dt ob ep r e s e n ti nt h eg e n o m eo fo t h e rc y a n o b a c t e r i aa sw e l l ， i n c l u d i n gt h o s en o n h e t e r o c y s t o u ss t r a i n s a c c o r d i n gt ot h e i rd i s t r i b u t i o n ，h e rg e n e sc a l l b ea s s i g n e di n t os e v e r a lc a t a l o g s ：1 ) g e n e si nm o s ts t r a i n s ，2 ) g e n e se x c l u s i v e l yi n f i l a m e n t o u ss t r a i n s ，3 ) g e n e se x c l u s i v e l yi nd i a z o t r o p h i cs t r a i n s ，4 ) g e n e se x c l u s i v e l yi n h e t e r o c y s t o u ss t r a i n s ；5 ) o t h e rg e n e s t h es e q u e n c ei n f o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fh e t g e n e sw e r eu s e dt or e b u i l dt h e i re v o l u t i o n a r yh i s t o r y t h er e s u l ts h o w st h a t1 ) h e tg e n e s w e r eo b t a i n e dd u r i n gt h ew h o l ee v o l u t i o nh i s t o r yo fc y a n o b a c t e r i a ，2 ) m o s to fh e rg e n e s a p p e a r e db e f o r et h eo c c u r r e n c eo fh e t e r o c y s t ，3 ) l a t e r a lg e n et r a n s f e r ( l g t ) p l a y e dv e r y i m p o r t a n tr o l e si nt h ee v o l u t i o no fh e t e r o c y s td e v e l o p m e n t i nh e t e r o c y s t o u sc y a n o b a c t e r i a ma n a b a e n ap c c 712 0 ，h e t ra n dp a t si n t e r a c ta n d a c ta st h ec e n t r a lr e g u l a t o r sf o rt h ei n i t i a t i o no fh e t e r o c y s td i f f e r e n t i a t i o na n dl o c a t i o no f h e t e r o c y s t si nf i l a m e n t s t h eh e t rg e n ew a sf o u n dt ob ep r e s e n ti na l le x a m i n e d f i l a m e n t o u sc y a n o b a c t e r i a w r ed e t e c t e dt h ee x p r e s s i o no fh e t ri ne a c ht e s t e d f i l a m e n t o u sc y a n o b a c t e r i u m w r ea l s of o u n dt h e0 r fo ft h e 心g e n ei nf i v eg e n o m e so f f i l a m e n t o u sc y a n o b a c t e r i a ( i n c l u d i n gn o n h e t e r o c y s t o u ss t r a i n st r i c h o d e s m i u mi m s101 a n da r t h r o s p i r ap l a t e n s i s ) t h ee x p r e s s i o no fh e t ri na r t h r o s p i r ap l a t e n s i si n c r e a s e d u p o nn i t r o g e nd e f i c i e n c y t h eh e t rg e n ea n dp a t sg e n ef r o ma r t h r o p i r ap l a t e n s & ( a r h e r ra n da r p a t s , r e s p e c t i v e l y ) s t i m u l a t e da n dr e p r e s s e dh e t e r o c y s td i f f e r e n t i a t i o n w h e ne x p r e s s e di na n a b a e n ap c c 7l2 0 r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta r h e t ra n d a r p a t sc o u l dr e g u l a t eh e t e r o c y s td e v e l o p m e n ti nh e t e r o c y s t o u ss 仃a i n s c o m b i n i n gt h eb i o i n f o r m a t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lw o r ki nt h i ss t u d y , w e r e c o n s t r u c t e dt h ee v o l u t i o nh i s t o r yo ft h er e g u l a t o r yn e t w o r kf o rh e t e r o c y s td e v e l o p m e n t ab a s i cn e t w o r kf o rn i t r o g e nm e t a b o l i s mc o n s i s t i n go fm a n yk e yr e g u l a t o r sf o r h e t e r o c y s td e v e l o p m e n tp r o b a b l ye x i s t e dm u c he a r l i e r b e f o r et h eo c c u r r e n c eo f 3 h e t e r o c y s t , a n dt h ep r o c e s so fh e t e r o c y s te v o l u t i o ni sa c t u a l l yap r o c e s so fr e c r u i t i n g m o r e a n dm o r eh e tg e n e st op e r f e c tt h i sn e t w o r k , f o re f f e c t i v e l yu t i l m i n gn i t r o g e n n u t r i t i o ni nc h a n g i n ge n v i r o n m e n t s o u rr e s u l t sw i l lp r o v i d ec l u e st ot h ea n c i e n te v e n t s i nl i f ee v o l u t i o n ，a n db eh e l p f u lf o ru n d e r s t a n d i n gt h ed e v e l o p m e n t a lm e c h a n i s mi n h i g h e re u k a r y o t i co r g a n i s m s 3 - p h o s p h o a d e n o s i n e - 5 - p h o s p h a t a s e ( p a p a s e ) i sr e q u i r e df o rt h er e m o v a lo ft o x i c 3 - p h o s p h o a d e n o s i n e 一5 - p h o s p h a t e ( p a p ) p r o d u c e dd u r i n gs u l f u ra s s i m i l a t i o ni nv a r i o u s e u k a r y o t i co r g a n i s m s t h i se n z y m ei saw e l l k n o w na st h et a r g e to fl i t h i u ma n ds o d i u m t o x i c i t ya n da st h el i m i t i n gf a c t o ro fs a l t - r e s i s t a n c eo fi t sh o s t o n eg e n e ，h a l a ，w h i c hc o u l de n c o d eap r o t e i nc l o s e l yr e l a t e dt ot h ep a p a s e so f y e a s t sa n dp l a n t s 。w a si d e n t i f i e d f r o mt h ec y a n o b a c t e r i a ma r t h r o s p i r a ( s p i r u l i n a ) p l a t e n s s p h y l o g e n i ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a tp r o t e i n sr e l a t e dt op a p a s e sf r o ms e v e r a l c y a n o b a c t e r i aw e r ef o u n di nd i f f e r e n te l a d e s s u g g e s t i n gm u l t i p l eo r i g i n so fp a p a s e si n c y a n o b a c t e r i a t h eh a l ap o l y p e p t i d ef r o ma p l a t e n m sw a so v e r p r o d u c e di ne s c h e r i c h i a c o l ia n du s e df o rt h ec h a r a c t e r i z a t i o no fi t sb i o c h e m i c a lp r o p e r t i e s h a l aw a sd e p e n d e n t o nm g 付f o ri t sa c t i v i t ya n dc o u l du s ep a po r3 - p h o s p h o a d e n o s i n e 5 - p h o s p h o s u l f a t e ( p a p s ) a sas u b s t r a t e h a l ai ss e n s i t i v et ol i + ( 5 0 i n h i b i t o r yc o n c e n t r a t i o n 【i c 5 0 】3 6 r e t o o l l ) b u to n l ys l i g h t l ys e n s i t i v et on a 十( i c 5 0 6 0 0m m o l l ) t h es a l ts e n s i t i v 时o f h a l aw a st h u sd i f f e r e n tf r o mt h a to fm o s to fi t se u k a r y o t i cc o u n t e r p a r t s w h i c ha r em u c h m o r es e n s i t i v et ob o t l ll i l 。a n dn a 十 b a s e do nt h es t r u c t u r eo fh a l 2 p ，t h ep a p a s ei ny e a s t ，w em o d e l e dt h es t r u c t u r eo f h a l a t h em a i o rd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mw a si nt h e i rs u b s t r a t e b i n d i n gs i t e s t h e p u t a t i v es u b s t r a t e b i n d i n gm o t i fo fh a l ah a sap r o l i n er e s i d u e ( p 2 5 4 ) w h i c hm i g h tl o w e r i t sa 伍n i t 、rw i mp a pa n dc o n t r i b u t ei t st o l e r a n c et ol i + a n dn a 十t h eec o l is t r a i n e x p r e s s i n gh a l ag e n eg r e wm u c hb e t t e ri n t h em e d i u mw i t hh i 曲【l i 十】，s u g g e s t i n g p a p a s ea l s ow a st h et a r g e to fl i t h i u ma n ds o d i u mt o x i c i t yi nb a c t e r i aa sw e l l h a l ai st h e k n o w np a p a s et h a th a sb e s tt o l e r a n c et on a t s oi ti sap o t e n t i a lw a yt oi m p r o v et h e s o d i u m t o l e r a n c eo fv a r i o u so r g a n i s m sb ye x p r e s s i n gh a l ag e n e h e r ew ei d e n t i f i e da n dc h a r a c t e r i z e dh a l a ，ap a p a s ef r o mp r o k a r y o t ef o rt h ef i r s t t i m e t h er e s u l t sw i l lh e l pu st ou n d e r s t a n dt h es u l f u r - a s s i m i l a t i n gp a t h w a ya n dt h e m e c h a n i s mo fs o d i u m r e s i s t a n c ei nb a c t e r i a k e y w o r d s ：c y a n o b a c t e r i a , g e n o m e ，h e t e r o c y s t , e v o l u t i o n , h e t r ，p a t s , p a p a s e ， s o d i u m - r e s i s t a n c e 4 重要术语及缩略语表 5 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 否如需保密，解密时间年 月 日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 愀始址侈n 帆叶m = 葛，譬孽喙主碧崭 第一耄：异形胞发育进化 1 前言及背景介绍 1 1 蓝细菌简介 在缤纷的微生物世界里，蓝细菌可谓是虽富有特色的一个大类群了。因为能够 进行放氧光合作用，从而使得它们与其他的细菌存在着鲜明的区剐。也正是这个特 别之处，使其成为地球上最为重要的生物之一。 蓝细菌存在的历史十分悠久。迄今为止，已经发现了多个远古蓝细菌的化石记 录( 图1 1 ) 。在距今约1 5 亿年的西伯利亚b i l l y a k h g r o u p 地层燧石发现了大量 a r c h a e o e l l i p s o i d e s 化石( 一种远古蓝细菌组成的椭球形或圆柱形的微小化石) ( g o l u b i ce a ，1 9 9 5 ) 。在加拿大、印度、澳大利亚等地也发现了形成于距今1 4 亿至1 9 亿年间的蓝细菌细胞化石( h o f m a n n ，1 9 7 6 ；p u m i m a ，2 0 0 5 ；p a g ee l a l ，2 0 0 0 ) 。而发现于 2 1 亿年前西非燧石矿中的静息孢子化- 石( a m a r da n db e r i w a n d - s a r f a t i ，1 9 9 7 ) 则这是已 知最早的蓝细菌细胞化石。那些生存年代更久的蓝细菌未能分化成具有坚实厚壁的 细胞，因而难以在地层中形成细胞化石，但是它们却能够留下蓝细菌独有的分子化 石2 一m e t h y l h o p a n o i d s 。这是一类被认为是蓝细菌才能够合成的分子，人们在澳 大利亚2 7 亿年前的页岩中发现了这类分子的踪迹( b r o c k se t a l ，1 9 9 9 ) ，这意味着蓝 细菌至少在那时就已经存在于地球上了。 图1 - ! ：在澳大利亚中部b i t t e rs p r i n g s 燧石矿( 距今a s 5 亿年) 中分离的蓝细菌化 石。a ，单细胞蓝细菌c h r o o c o c c a l e a n 的菌落。b ，丝状蓝细菌触p d 句咄t 的苗丝 体。( 图片来源：w w w w i n o n a e d u g e o l o g y m r w e a r l y p r o t e r o z o i c h t m ) f i g u r e1 - l ：t w ok i n d so f c y a n o b a c t e r i af r o mt h eb i t t e rs p r i n g sc h e r to f c e n t r a l a u s t r a l i a ，as i t ed a t i n g t o t h e l a t e p r o t e r o z o i c ，a b o u t 8 5 0 m i l l i o ny e a r so l d a ，a c o l o n yo f ac h r o o c o c c a l e a ns t r a i n ；b ，af i l a m e n to f ag a l a e o l y n g b y as t r a i n ( i m a g e s a t f r o m w w w w l n o n a e d u g e o l o g ，m r w j e a r i y p r o t e r o z o i e h t m ) 蓝细菌的出现，对地球上生命系统的演化产生了巨大影响。古地质学研究表明 在生命出现之初，地球上大气跟现在完全不一样，那个时候的大气是以甲烷、硫化 氢等还原性大气为主，最初出现的生命也都是一些厌氧微生物，最初出现的光合细 菌在光合作用都是以硫化氢等作为电子供体。相当长一段时间后，地球表层硫化氢 等电子供体逐渐被消耗殆尽，于是一部分生物如蓝细菌的祖先，开始寻求利用 其它的电子供体( j o h n ，2 0 0 1 ；d el a sr i v a se t a ，2 0 0 4 ) 。蓝细菌是最初出现的( 也是 迄今唯一的) 能够以水为电子供体进行产氧光合作用的原核微生物。水是地球上最 为丰富的物质之一，蓝细菌以水为电子供体就意味着只要有水存在，它们就可以获 取能量，就可以生存。蓝细菌进化出的这种全新的光合作用方式，为其开辟了广阔 的生存天地。产氧光合作用在进化上获得了极大的成功，它使得蓝细菌一度成功主 宰了整个地球，以至于所有水面上都曾铺满了厚厚的蓝细菌“菌泥”( k o p pe ta 1 ， 2 0 0 5 ) 。蓝细菌的繁盛伴随着大量有机物和氧气的产生。起初，光合作用产生的氧气 主要被大气和地球表面的还原性物质所消耗掉了；但随着环境中还原性物质被氧化 殆净，氧气开始在大气中积累。也就是说，蓝细菌的活动导致地球环境从还原性转 变成了氧化性。地球大气层化学性质的转变和有机物质的积累，为随后其它生物的 出现奠定了基础。在2 3 亿年前左右，大气层彻底从还原性转变为氧化性( b e k k e re ta l ， 2 0 0 4 ) ，大批的厌氧生物开始灭绝；同时，大批好氧生物开始出现，并逐渐在生态系 统中占据了主导，生命演化从此进入了一个全新的阶段。 蓝细菌有着极强的适应能力。在地球环境经历经翻天覆地变化的数十亿年间， 它们不仅没有走向衰落，反而依然繁衍旺盛。如今蓝细菌依然是重要的微生物类群 之一，且已发展为一个十分庞大的家族。目前地球上已发现的蓝细菌多达数千种， 其足迹遍布于地球的各个角落。大多数的种类的蓝细菌生活在淡水中，但也有不少 种类生活在海水、咸水湖、潮湿的土壤中，甚至还有些种类生存在干燥的沙漠岩石 表面上。除此以外，还有为数不少种类的蓝细菌与植物、真菌以及一些原生生物共 生。蓝细菌的细胞大小不一( 从一个微米到数十微米) ，形态也千变万化，有圆形， 有杆状；有的是单细胞，有的细胞聚集成一团，还有的细胞排列成丝状；还有些种 类的细胞在某些环境下会发生分化，形成异形胞( h e t e r o c y s t s ) 或静息细胞( a k i n e t e s ) 等。根据形态差异，一般将蓝细菌分为5 个目：色球藻目( c h r o o c o c c a l e s ) 、宽球藻 目( p l e u r o e a p s a l e s ) 、颤藻目( o s c i l l a t o r i a l e s ) 、念珠藻目( n o s t o c a l e s ) 和真枝藻目 ( s t i g o n e m a t a l e s ) ( r i p p k ae t a l ，1 9 7 9 ) 。色球藻目和宽球藻目的蓝细菌为单细胞，两者 都可进行二分分裂，后者还能进行多分分裂。其它三个目的蓝细菌都形成多细胞菌 丝体。其中颤藻目蓝细菌菌丝体细胞不存在明显的细胞分化现象，而念珠藻目和真 枝藻目蓝细菌在某些环境中能够分化出异形胞或和静息细胞。真枝藻目蓝细菌菌丝 还能够产生真分枝。由于有些蓝细菌形态特征并不稳定( 如a r t h r o s p i r a 的菌丝一般 为螺旋状，但有些菌株在不同的培养条件下，菌丝会呈直线状) ，单纯基于形态的 分类可能会导致错误的结果。近些年来，越来越多的核酸和蛋白序列被用于蓝细菌 的分类研究，使人们对蓝细菌的系统发育有了更加客观的了解。基于1 6 sr r n a 序 列构建的物种系统发育树上，全部的蓝细菌都处在一个单独的进化分支中( h o n d ae t a 1 ，1 9 9 9 ) 。利用序列信息得到的蓝细菌分类结果与传统的基于形态的蓝细菌分类结 果并不完全一致，如在基于1 6 sr r n a 序列的系统发育树中，单细胞蓝细菌中的色 球藻目被分为多个类群，颤藻目的蓝细菌也不在一个单独类群中，它们中的许多种 属甚至与不同类群的单细胞蓝细菌有着更近的进化距离( g i o v a n n o n ie ta l ，1 9 8 8 ； t u r n e re ta l ，1 9 9 9 ；d a i s k ee ta l ，1 9 9 9 ) 。除了1 6 sr r n a ，其它序列如而吐，p s a b 等 基因也被用于构建的蓝细菌系统发育树( m u l k i d j a n i a ne ta 1 ，2 0 0 6 ；v a nd e rs t a a ye ta l 2 0 0 0 ) ，由此得到的结果与传统形态分类之间也存在一定的差异。 8 蓝细菌是唯一能够进行产氧光合作用的原核生物。自然界中，除蓝细菌之外还 有许多能够进行光合作用的生物，如各种光合细菌和绿色植物。c h l o r o b i u mt e p i d u m ( 绿硫菌) ， r h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i s ( 红色无硫菌) ，c h l o r o f l e x u sa u r a n t i a c u s ( 绿丝菌) ，h e l i o b a c i l l u sm o b i l i s ( 螺旋菌) 等光合细菌的光合作用机制与蓝细菌不 同，主要表现在：其光合作用过程基本上是一种厌氧过程；细胞中不存在光合系统 i i ( p s i i ) ，即光合作用过程中的电子供体不是水，而是硫化物、分子氢或有机物， 光合过程中不释放分子氧。但绿色高等植物与蓝细菌却有着十分类似的光合系统。 实质上，叶绿体与蓝细菌的相似性并非偶然，通过大量的进化研究，现在普遍认为 叶绿体是由远古的蓝细菌进化而来的( m c f a d d e n ，2 0 0 1 ；b o n e na n dd o o l i t t l e ，1 9 7 5 ) 。 迄今为止，人们对光合作用的认识也主要是基于对蓝细菌光合系统的研究( n e l s o n a n dy o c u m ，2 0 0 6 ；a d i r , 2 0 0 5 ) 。 许多蓝细菌还能够进行生物固氮。氮是生物必需的营养元素之一，然而也是生 物生长最重要的限制性营养元素之一。在环境中缺乏直接可用的化合态氮源时，许 多生物能够直接将空气中的氮气还原成铵，即生物固氮。固氮反应是一个很强的还 原反应，这决定了固氮作用是一个厌氧过程。事实表明，固氮酶是对氧化性物质十 分敏感的分子它一旦与氧气分子接触，就会被不可逆地失活( h a y s t e a de a 1 ，1 9 7 0 ) 。 目前所知的能固氮生物都是原核微生物，其中包括许多种类的蓝细菌。与其它固氮 生物相比，蓝细菌对固氮的调节要复杂许多，这是因为蓝细菌在进行光合作用时会 释放出对固氮酶产生伤害的氧气。因此，为保证固氮作用的正常进行，蓝细菌就必 须采取一定措施来协调细胞内的这两种生化过程。在进化中，不同种类的蓝细菌采 取了不同的方式解决这个问题。单细胞和一部分丝状固氮蓝细菌在时间上将这两个 过程分开，白天有光照的时候，细胞进行光合作用；夜晚，光合放氧停止，细胞则 表达固氮酶进行固氮作用。许多丝状固氮蓝细菌采取的是另外一种方式，如念珠藻 目和真枝藻目的蓝细菌，缺氮后其菌丝体上部分细胞会分化成异形胞，专门执行固 氮，而其他营养细胞则进行光合作用，这使得光合作用和固氮作用在菌丝体上不同 细胞中同时进行。还有一些丝状固氮蓝细菌的固氮机制比较特殊，如t r i c h o d e s m i u m ， 其菌丝体无异形胞分化，但其光合作用与固氮作用也能同时进行。那么 t r i c h o d e s m i u m 是如何协调光合作用和固氮作用这两种不相容的生理活动的呢? 通 过免疫金标记后的透射电镜观察和荧光免疫原位观察发现，t r i c h o d e s m i u m 菌丝体 上在同一时刻只有1 0 左右的细胞具有固氮酶活性，且在这些能固氮细胞中，光合 作用明显减弱( b e r g m a n e ta l ，1 9 9 7 ；b e r g m a na n dc a r p e n t e r , 1 9 9 1 ) 。因此， t r i c h o d e s m i u m 是通过一种特殊机制在固氮细胞中暂时抑制光合作用来避免二者发 生冲突。对t r i c h o d e s m i u m 菌丝上表达了固氮酶的细胞的超微结构观察，显示它们 与其它细胞存在一些差异：其胞内含有更多的细胞色素氧化酶( m u l k i d j a n i a ne ta 1 ， 2 0 0 6 ；b e r g m a ne ta 1 ，1 9 9 3 ) ，具有更加致密的类囊体结构，气泡减少，藻青素颗粒变 d , ( f r e d r i k s s o na n db e r g m a n ，1 9 9 7 ) ，这些细胞比其余细胞更窄( j a n s o ne t a l ，1 9 9 4 ) 。 蓝细菌的光合作用和固氮作用，曾经为地球上许多生物带来了生存必备的氧气、 碳水化合物和氮营养。直到今天，蓝细菌仍然是地球上最为重要的初级生产者之一。 1 2 蓝细菌基因组 人类基因组项目的实施，大大加快了生物学研究的速度十几年的时间内， 对生物学问题的研究手段已经实现了从单个分子水平到基因组水平的飞跃，生物学 9 研究达到了前所未有的广度和深度。基于基因组学，各种各样的“组学”研究( 如“转 录组学”、“代谢组学”等) 也开始蓬勃兴起。 在生物学全面进入基因组水平的时代，作为基础研究中重要实验材料的蓝细菌， 其基因组项目自然也颇受重视。在1 9 9 6 年，日本k a z u s ad n a 研究所公布了 s y n e c h o c y s t i sp c c 6 8 0 3 的基因组序歹l j ( k a n e k oe ta 1 ，1 9 9 6 ) ，这是最早的蓝细