（遗传学专业论文）南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究.pdf

南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 摘要 海洋生物圈在全球的生物球化学循环中起着重要的作用。然而，人们对它的 了解还很少。南海是中国最大海域，对中国的气候和环境变化影响很大。对南海 沉积物中微生物的研究，有助于我们认识未知生物类群的功能和理解微生物对整 个生态系统的影响。 本文采用以p c r 为基础的分子生物学方法对南海北部“甲烷富集区 的沉 积物进行研究，研究该特殊海域沉积物的古菌分布有无特异性，并对两根沉积物 柱的古茵多样性进行了比较研究。海区沉积物柱s c s l 分了7 层，沉积物柱s c s 2 分了6 层，除了s c s l 的第7 层，其它深度都是一致的。1 3 个文库的5 8 1 个1 6 s r r n a 基因序列经d o n 瓜软件分析后，得到1 0 2 个o p e r a t i o nt a x o n o m i c u i l i t s ( o n j ) 。古菌1 6 sr r n a 基因序列与n c b i 数据库序列的最相近的序列的相 似度在8 0 一9 9 之间。大多数序列与来自天然气水合物的古菌序列最相似。分子 系统学分析表明，所有的古菌属于泉古菌和广古菌两大类。其中泉古菌又包括杂 色泉古菌( m i s c e l l a n e o l l sc r e n a r c h a e o t i cg r o u p ，m c g ) 、第一类海洋泉古菌 似a 曲e 研o u pi ，m g d 、深海古菌类群e 印一s e a 缸c h a e a lg t 0 u p ，d s a g ) 三大类； 广古茵包括南非金矿广古菌类群( s o u m 剐h c a ng 0 1 dm i n e & q a h a e o t i c g 衲u p ，s a q 肛g ) 、海洋海底类群d 分支似a r i n eb e n 锄cq o u pd ，m b g d ) 、新颖 的古菌类群( n o v e le l 珂a r c h a e o t i cg r o u p ，n e g ) 三大类。在本研究中m g i 的最相 似序列与氨的氧化有关，尤其是与可培养的氨氧化古菌朋加s 印删加历甜疗砌嬲 s c m 进化关系非常近，表明本研究的m g i 类群很可能氨氧化类群，参与了氮的 生物地球化学循环。 在这两根沉积物柱中m c g 和m b g d 是优势类型。m c g 是两根沉积物柱表 层的优势类型，两根沉积物柱的古菌构成基本相似。每个古菌1 6 sr i 斟a 基因文 库用所有克隆经d o t u r 软件分析其多样性，辛普森指数、香农维纳指数、c h a 0 1 和a c e 的结果表明，s c s l 和s c s 2 的表层多样性都较低，随着柱层深度的增加 多样性均增长。从s c s l 和s c s 2 两根柱的对应层比较分析发现s c s l 柱的多样 性s c s l 均高于s c s 2 。s c s 2 4 的各参数特别低，反应其多样性非常低。数据分 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 析表明古菌群落的结构和多样性随柱层深度的变化很可能对应所在位置的物理 和化学条件的变化。认识不同环境下古菌群落的变化对理解它们在生物化学循环 中的作用有重大意义。 本论文首次从生物学的角度对南海北部“甲烷富集区 的沉积物进行研究， 发现大多数古菌与其它海域的天然气水合物古菌最相近。生物学分析表明该海区 具有高的甲烷浓度，这一结果与该海域的天然气水合物和大型天然气田的矿藏发 现相一致。 关键词：多样性；古菌；1 6 sr 刚 基因文库；南海北部；沉积物柱；甲烷 2 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 c o m p a r a 戗v es t l l d yo nt h ea r c h a e a ld i v e r s i 锣o f 伽od e e p s e a s e d i m e n tc o h l m n sc o h e c t e df r o mn o r t h e r ns o u t hc h i n as e a a b s t r a c t m a r i n eb i o s p h e r ei s 锄o n gt ： l el e a s t - u n d e r s t o o dk l b i t so ne a m l ，e v e nt l l r o u 曲n l e l m g e 血c r o b i a lb i o m a s s m e r e i i lp l a y sa ni m p o n a n tr 0 1 ef o rp o t 锄a ll o n g t e mc o n t r o l o n 酉o b a lb i o g e o c h e i i l i c a lc y c l e s s o u t l lc 1 1 i n as e ai st h el a 唱e s ts e aa r o u i l dc l l i 】琏n s i 鲥f i c a n t l yi n n u e n c e s 血ec l i l i l a t ea 1 1 de n v 沛珈 n e mo fc 址吼7 n l e 鲰l ( 1 yo nm e s e d 妇e n t a l 血c r o b i a lc o m m l m j 够o fs o u d lc h i l l as e ai sh e l p 伽f o ru st 0u i l ( 1 e r s t a n d t 1 1 ed i v e r s 毋o fm i c r o b e sl i v 迦t l l e r e 觚d 也e i r 硼u e n c eo f 也ew h o l ee c o l o 西c a l s y s t e m i i lt l l i sp 印e r ，m ev e n i c a la n dg e o g r a 】p 1 1 i c a ld i s 仃i b u t i o no fa r c h a e aa n d l e i r d i v e r s 时i nt h em e t l l 趾e - r i c hr e 西0 no f n o n l l 锄s o u t hc l l i n as e aw e r ei n v e s t i g a t e d 诚也p c r - b a s e dg e n el i b r 踟哆c o n 咖枷o nm e t h o d s e d i i n e n tc o h h n ns c s1 、a s m v i d e di 】毗o7z o n e s ，廿l es e d i m e n tc o l u m ns c s 2w a sd i v i d e di m o6z o i l e s ，e x p e c tf o r z o n e7 ，m eo t h e r sw e r et h es a m ei i ld e p t h a r e r5 81g e n es e q u e n c e so f13l i b r a r i e s w e r ea 1 1 a l y z e du s i n gd o t u rs o 小a r e ，10 2o p e r a t i o nt a ) 【o n o m i cu i l i t s ( 0 1 u ) w e r e o b t a i n e d t h es i i l l i l 撕t ) ，b e e nt 1 1 e16 sr r n ag e n es e q u e n c e so b t a i n e da n d l o s e d e p o s i t e di nn c b id a t a b a s ev a r i e d 舶m8 0 t 09 9 m o l e c u l a rp h y l o g e n e t i c a n a l y s i ss h o w e dt 1 1 a ta l lc l o n e sb e l o n g e dt 0c r e n a r c h a e o t aa i l de u r y a r c h a e o t a c r e n a r c h a e o t a 沁l u d e dm i s c e l l a n e o u sc r e n a r c h a e o t i cg r o u p ( m c g ) ，m a r i n e ( 衲u p i ( m g i ) a n dd e 印一s e aa r c h a e a lg r o u p ( d s a g ) e u r y a r c h a e o t ai n c l u d e ds o u t h a 衔c a ng o l dm i n ee u 巧黜h a e o t i cg r o u p ( s a m e g ) ，m a r i n eb e n t l l i c ( 衲u p d ( m b g d ) a i l dn o v e le u r y a r c h a e o t i cg r o u p ( t 她g ) t h es i m i l a r e s ts e q u e n c e so fm g i 缸l di nd a t a b a s ew e r ef o u n dt or e p r e s e n tt h em i c r o b e si n v o l v e di nt 1 1 eo x i d a t i o no f 黝0 1 1 i a ， o ft 1 1 e m ， m 护d s 印 m f z 螂 聊甜f 砌2 螂s c mi sac u l 鼬l ea r c h a e a l 锄m o x i d a t o r t h e s ef i n i d i n gi n d i c a t e dt 1 1 a tm g lw a sa na m m o x i d a t i o n 掣0 u p ， i n v 0 1 v i n gi nt h eb i o g e o c h e m i c a lc y c l e so fn i t r o g e n 3 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 m i s c e l l 锄e o u sc r e l l a r c h a e o t i cg r o u pa i l dm a r i n eb e i l t h i cg r o u pdw e r et h e 铆o m o s td o m i n a n ta e c h a e a l16 sr i 矾ag e n ec l o n eg r 0 1 l p si nt w r oc o l u 衄s m c g 、a sm e p r e d o m j n e n tp h y l o 勺r p ei nt 1 1 et o pz o n eo fs c s1a i l ds c s 2 t h ea r c l m a lp h y l o t y p eo f s c sli sb a s i c a l l ya ss 锄ea st h a to fs c s 2 u s i i l gd o n 瓜s o 脚a r e ，s h a n n o n - w e a v e r i n d e x ，s i i l l p s o n1 1 1 d e x ，c h a 0l i n d e xa 1 1 da c eh d e xe a c hl i b r a r y 、 忙r ec a l c u l a t e d f o r t 1 1 et v 旧c o l u i r u l s ，d i v e r s i t ) rw a sg e n e r a l l yl o w ，b u ti n c r e a s e dw i t l ld e p t h t h er e s u l t s i 1 1 d i c a t e dm a td i v e r s i t ) ro fe a c hz o n eo fs c s1w a s l l i 曲e rt 1 1 a nt 1 1 a to fc o r r e s p o n ( 1 i 1 1 9 z o n eo fs c s l o u rd a t as u g g e s t e dt 1 1 a tm ec o m m u i l i 够咖曲l r ea 1 1 dd i v e r s 毋o f a r c h a e av a r i e dg r e a t l y 埘t 1 1d e p t l l ，p o s s i b l yb e i l l gr e l a t i n g 谢t l lt 1 1 ec h a n g eo fp h y s i c a l a i l dd 洲c a lc o n d i t i o n s t h er e c o g 面t i o no fa r c h a e a l 罂o u pp r e v a i l i n 母1 e s su n d e r d i s t i l l c t i v es u b s e a n 0 0 re n v 的n m e n ti sak e ys t e pt o w a r dd e t e r 商n i i l g 廿l er o l et l l e s e c o n 坷删t i e sp l a yi ne a r t h se s s e l l t i a lb i o g e o c h e m i c a lp r o c e s s e s k 巧啊o r d s ：d i 、，e 礴i 锣a r c h a e a 1 6 sr i 矾a g e n em l m r y ， s e d i l 咂叫t c o l u m n ， n o r t h e ms o u t hc h i n as e a ，m e t h a n e 4 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含未获得 注! 垫塑查基丝重墓挂型虚明丝：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。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作了明 确的说明并表示谢意。 学位做作者签必寸所签字醐卿年莎0 j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一龋丑吲惰 签字日期：渺产6 月知日 导师签字： 咖事纵 签字日期：一年占月。日 f 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 第一章前言弟一早月u 苗 第一节古菌概述 1 1 古菌的发现和分布 古菌( 觚h a e a ) 又称古细菌、太古菌或太古生物，是原核生物中的一大类 单细胞的微生物，是地球上最古老的生命体，但直到2 0 世纪末微生物学家 才把它们归为单独的一类。在2 0 世纪早期以前，人们根据生物化学、细胞形 态和代谢将原核生物归为单独的一个类群 1 】。1 9 6 5 年，一种不同于以往的分类 方法一系统发育学( p h y l o g e n e t i c s ) 被应用，系统发育学是用生物体的基因序 列来分析它们的亲缘关系，目前该方法被大量应用。1 9 7 7 年，w o e s e 和g e o r g e 在研究微生物的核糖体r n a 基因时，发现并不是所有的微小生物亲缘关系都相 近，细菌的大肠杆菌和能产生甲烷的微生物在亲缘关系上很远【2 】。他们将原核 生物划分为真细菌( e u b a c t e r i a ) 和古细菌( 心c h a e b a c t e r i a ) ，w o e s e 认为古细 菌是一种完全不同的生命形式。经过更多材料的积累后，1 9 9 0 年w o e s e 提出了 著名的三域分类学说( 图1 1 ) ：生物分为真核生物、真细菌和古细菌三域，域被 定义为高于界的分类单位。为强调真细菌和古细菌的不同，后来将它们更名为细 菌( b a c t e r i a ) 和古菌( a r c h a e a ) 【3 】，古菌的名字来源于古希腊语，意思是“古 老的事物”。从此，三域学说使古菌获得了与真核生物和细菌同等的分类学地位。 在地球上，古菌代表着生命的极限，它们确定了生物圈的范围，分布在高温 环境比如间歇泉或者海底黑烟囱中( 1 2 l ) 4 】，在低p h ( o ) 和高盐度( s a l t s a t l 黝t i o n ，5 2m o ln a c l 】l ) ，还有的生存在很冷的环境或强碱性的水中 5 】。2 0 世 纪末人们才发现古菌广泛分布于自然界中，从地表到大洋深处 6 】，而仅有一小 部分布于极端环境中。有很多古菌是嗜中性的，能够生活在沼泽、废水和土壤中。 很多产甲烷的古菌在动物的消化道中被发现【7 】，如反刍动物牛羊、白蚁或者人 类【8 】。古菌通常对其它生物无害，目前尚未知有致病古菌。 南海北部两根沉积物柱由苗多样性比较研究 a r c h a e a m e l h a n o a e n s 酎1 - 1 二域学说及其生物进化谱系树 f j g l _ lt h 他ed o m a m t h e o ga i dp h y i o g c n d l cc cs h o w j n g m e m 】m ；o n s h 币b 目t h h a e a a n do t h e r b m s o f l l k 12 古菌的分类 从1 6 sr r n a 避化树上，日前古菌土要分为四个门，泉古菌门 ( c r c n a r c h a e o t a ) 、广古菌门( e u r y a 曲a e o t a ) 、纳古菌门( n a n o a r c h a e o 诅) 和初古 菌门f k o 姗h a c o 怕) ，其叶1 大部分的占菌属j 。泉占菌和广古菌，纳古菌门和仞占菌 门只有很少的发现。 泉古菌门( c r e n a r c h a e o t a ) 泉古苗f j 是古苗的一个人分支，包括很多超嗜热生物，但在某些海洋 早的超微浮游生物中也占有相当比例( 尚术成功培养) ，也有肠道中分离出 的种类( 餐古菌日) 。按照伯燕氏手册，h 前本门j 1 分个绑和四个目( 未 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 包含餐古菌) 。 分类 域：古菌域( a r c h a e a ) 门：泉古菌门( c r e n a r c h a e o t a ) 纲：热变形菌纲( t h e m o p r o t e i ) 目： 硫化叶菌目( s u l f o l o b a l e s ) 除硫球菌目( d e s u l f h r o c o c c a l e s ) 暖球形菌目( c a l d i s p h a e r a l e s ) 热变形菌目( t h e r m o p r o t e a l e s ) 餐古菌目( c e n a r c h a e a l e s ) 广古菌门( e u r y a r c h a e o t a ) 广古菌门包含了古菌中的大多数种类，包括了在极高盐浓度下生活的 盐杆菌、能在动物肠道中发现的产甲烷菌、一些超嗜热的好氧和厌氧菌， 在海洋中也有广泛的分布。在1 6 sr r n a 基因系统发育树上，它们组成一个 单系群。 广古菌 分类 域：古菌域( a r c h a e a ) 门：广古菌门( e u r y a r c h a e o t a ) 纲：盐杆菌纲( h a l o b a c t e r i a ) 热原体纲( t h e r m o p l a s m a t a ) 热球菌纲( t h e r m o c o c c i ) 甲烷球菌纲( m e t h a n o c o c c i ) 甲烷杆菌纲( m e t h a n o b a c t e r i a ) 甲烷球菌纲( m e t h a n o c o c c i ) 甲烷微菌纲( m e t h a n o m i c r o b i a ) 甲烷火菌纲( m e t h a n o p y r i ) 古球状菌纲( a r c h a e 0 9 1 0 b i ) 初古菌门( k o r a r c h a e o t a ) 3 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 初古菌门是通过1 6 sr r n a 序列区分开的一类古菌，它们来源于美国黄 石公园超热环境中的样品【9 】。科学家通过荧光原位杂交能够确认它们的存 在。但目前还没有能够成功培养的样品，与其它生物的关系还尚未确定， 它们与泉古菌进化关系较近 1 0 】，它们有可能并不是一个独立的类群，而是 1 6 sr r n a 发生了某些特殊或快速突变的种类。 纳古菌门( n a n o a r c h a e o t a ) 纳古菌是古菌的一门，即由s t e t t e r 在2 0 0 2 年在冰岛的热泉口发现的骑 行纳古菌( 聆d 口阳办口p “聊p g 甜f 胁刀s ) 1 1 】，这是在另一种古菌上生活的专性共 生菌迄今只包括一个种。纳古菌的细胞直径约4 0 0n m ，基因组只有大约4 8 万个碱基对，是目前已发现的有细胞生物中( 病毒除外) 基因组最小的生 物。通过核糖体小亚基r r n a 的系统发生树，初步将其单独列为一个门。 目前古菌只有很少的部分能培养，绝大数多数古菌不可培养，某些不可培养 的古菌的命名最初是来源于发现的特殊环境。例如，m a r i n e 咖( m g ) - i ，- i i ，一i a n d i v 最初发现于海水中【1 2 ，1 3 】：m a r i n eb e n t l l i c ( 衲u p ( m b g ) - a ，一b ，- c ，- da n de 最初发现于海洋沉积物和热液喷口中 1 4 】。m g i 和m b g - a ，ba l l d c 属于泉 古菌门，m g - i i ，一i i ia n d - i v ，a i l dm b g da n d e 属于广古菌门 1 5 】。目前很多研 究表明，它们在其它环境中也广泛分布，如董海良教授在分析中国青海湖沉积物 的古菌时，发现了大量的m b g b ，m b g - ca 1 1 dm b g - d 【1 6 】。d e 印s e a 疵h a e a l g r o u p ( d s a g ) 最初发现于热液口的深海沉积物，目前在深海海底沉积中均发现 此类群 1 7 】。s o t u ha 衔c ag o l dm i n ec r e n a r c h a e o t i cg r o u p ( s a g m c g ) 和s o t u h a 衔c a g o l dm i n ee u r y a r c h a e o t i cg r o u p ( s a g m e g ) 首次发现于南非金矿中 1 8 】， 它们也在世界很多海洋沉积物中分布，在本文中的两根南海柱状沉积物中也发现 了很多s a g m e g 。 1 3 古菌的特征 古菌之所以被列为与真核生物、细菌并列的一个域，除了它在1 6 s r r n a 的系 统发生树上独立分支外，它还具有一些其它独特之处。 1 3 1 古菌的形态 4 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 单个古菌细胞直径在o 1 到1 5 微米之间，有一些种类形成细胞团簇或者纤 维，长度可达2 0 0 微米。它们可有各种形状，如球形、杆形、螺旋形、叶状或方 形。 1 3 2 古菌的细胞壁 古菌有真细菌类似功能但化学成分差别甚大的细胞壁【1 9 】。已研究过的一些 古生菌，它们细胞壁中没有真正的肽聚糖，而是由多糖( 假肽聚糖) 、糖蛋白或 蛋白质构成的。古菌细胞壁物质极为多样。 1 ) 假肽聚糖细胞壁 甲烷杆菌属( 施砌册d 6 钟把r f “聊) 古生菌的细胞壁是由假肽聚糖组成的 2 ) 独特多糖细胞壁 甲烷八叠球菌( 施历口，2 d s 口阳历口) 的细胞壁含有独特的多糖，并可染成革兰氏 阳性。这种多糖含半乳糖胺、葡糖醛酸、葡萄糖和乙酸，不含磷酸和硫。 4 ) 糖蛋白 极端嗜盐的另一属古生菌盐杆菌属( 胁z d 6 口c 幼f “m ) 的细胞壁是由糖蛋 白组成的，其中包括葡萄糖、葡糖胺、甘露糖、核糖和阿拉伯糖，而它的蛋白部 分则由大量酸性氨基酸尤其是天冬氨酸组成。这种带强负电荷的细胞壁可以平衡 环境中高浓度的钠离子，从而使其能很好地生活在2 0 2 5 高盐浓度的溶液 中。 5 ) 蛋白质细胞壁 少数产甲烷菌的细胞壁是由蛋白质组成的。但有的是由几种不同蛋白组成， 如甲烷微菌( 胞砌口刀d 肌f c 阳6 f 甜历) 和甲烷球菌( 讹砌册d c d c c “s ) ，而另一些则由同种 蛋白的许多亚基组成，例如甲烷螺菌属似匆历口刀d 印护f 刀甜聊) 。 1 3 4 古菌的细胞膜 图卜2 细胞膜结构图比较了古菌和真细菌、真核生物细胞膜差异。在本质上 说，古菌的细胞膜也是由磷脂组成【2 0 】。 亲水头( 甘油) 与疏水尾( 烃链) 间是通过醚键而不是酯键连接的。 组成疏水尾的长链烃是异戊二烯的重复单位( 如六聚体鲨烯、四聚体植烷 等) ，它与亲水头通过醚键连接成甘油二醚或二甘油四醚等，而在细菌或真核生 5 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 物中的疏水尾则是脂肪酸；古菌的是d 型磷酸甘油，细菌和真核生物的磷脂是l 型磷酸甘油。 古菌细胞质膜中存在着非常独特的单分子层膜或单、双分子层混合膜，而 细菌或真核生物的细胞质膜都是双分子层。具体地说，当磷脂为二甘油四醚时， 连接两端两个甘油分子问的两个植烷侧链间会发生共价结合，形成了二植烷，这 时就形成了独特的单分子层膜。目前发现，单分子层膜多存在于嗜高温的古生菌 中，其原因可能是这种膜的机械强度要比双分子层质膜更高一些【2 1 】。 在甘油的3 碳分子上，可连接多种与真细菌和真核生物细胞质膜上不同的 基团，如磷酸酯基、硫酸酯基以及多种糖基等。 细胞质膜上含多种独特脂类。嗜盐菌类即已发现有0 【胡萝卜素、p 胡萝卜 素、番茄红素、细菌红素、视黄视黄醛，可与蛋白质结合成视紫红质和萘醌等。 1 3 5 古菌的遗传学特征 与细菌的染色体相似，由不含核膜的单个环状d n a 分子构成，但大小通常 小于大肠杆菌的d n a 。古菌的基因也组织成操纵子，这点与细菌相似，但在d n a 复制、转录、翻译等方面 2 2 】，古菌却有明显的真核特征：如采用非甲酰化甲硫 氨酰t r n a 作为起始t r n a ，启动子、d n a 聚合酶、转录因子、i 斟a 聚合酶等 均与真核生物的相似【2 2 】。 6 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 叠 l 患：= 擞z ：i l 嬲粼i 1 2 z ：= = i r 矾 - 司 r 翻 图l 也细胞膜结构上层；古菌的磷脂，异戊二烯的长链烃组成疏水尾，醚键， l 型 甘油，磷酸基；中层：细菌和真核生物的磷脂： 脂肪酸， 酯键。d 型甘油， 磷酸 基；下层： 细菌和古苗的磷脂双分子层， 某些古菌的单层磷脂 f i 9 1 之m e m b 枷es 廿l l c m m st b p锄砌a 村舢p h o l i p i d ，m 树d l e ab a c d ma n d e u k 8 0 州op h o s p i l o p i 也b o t 【o m j p i d b y e r o fb a 础n a ，删l 【a r y o i c ss o m e 肿。h 扯a i s o p r e n es h 缸n ， e i f l 盯i r 雌e 1 y c 啪l ，p l l o s p i l a i c m o i 酣e s 脚印扯m ， e s t e r l h l k 鸠e ，叫烨r o l ，p h o s p h a 【e m o j e i i e s l 如讨m 1 a y 吖o f b 船诅d n 叫a k s ， i i p i d m 伽o k y c r o f m e a r c h a e 1 4 古菌研究的意义 1 4l 科学研究的意义 141 l 对研究地球生命的起源和进化 德国的进化生物学家w h k 劬a u s e r 说：“w o e s e 从海洋中举起了一块完全淹 没了的陆地，这最终使生物学成为一个完整的科学，因为这是第一次在研究进生 物化时包括了所有的生命体。” 古菌很可能是地球早期恶劣环境下惟一能生存的生物，它对研究生命起源进 化有重要意义。现在的古菌其实已经是进化了几十亿年的现代生物，但从它们身 上，我们还是可以一窥地球早期生命的风貌。大气中大量存在的二氧化碳和氢气 使部分单细胞生物尝试着进化成为生产甲烷的细菌，它们可以在严格厌氧的环境 下，利用一氧化碳气体生存，代谢产生甲烷并获得维持生命的能量。而深海火山 7 一 鬻 羲一 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 口富含的硫类物质让另一部分生命适应了高温高酸的环境，它们也以二氧化碳为 唯一的碳源，并利用硫代替氧气，通过氧化氢元素，产生硫化氢和供生命使用的 能量。 此外，真核生物出现古菌的生长性质及非常独特基因组序列在遗传信息的 传递方面( 如d n a 复制、转录、翻译等) 古菌与真核生物相似；而在中央代谢( 如 产能) 方面它们则与细菌相近。虽然现在还不知道古菌第一次在地球上出现的具 体时间，但是很多科学家们认为古菌在进化史上介于细菌和真核生物之间，对古 菌的进化史研究为人们推测生命的起源进化问题开辟了一个新的领域。 1 4 1 2 为外太空生命的存在形式提供线索 对于古菌的研究甚至可以为研究可能的外太空生命的存在形式提供线索美 国加州大学伯克利分校的科学家p r i c e 等人在格陵兰岛地下冰芯中发现了产甲烷 古生存的证据既然这些产甲烷古菌能在无氧、无阳光的条件下生存，那么也可 能在火星上的相似环境中存在【2 3 】。 1 4 - 1 3 更全面地理解生物地球化学循环 古茵生活在多样的生态环境中，在地球元素，如碳、氮和硫的循环中起着重 要作用。 某些古菌参与了氮循环的很多步骤，这包括硝化作用和反硝化作用 2 4 ，2 5 】。 最近发现一些古菌参与氨的氧化【2 6 】，这在海洋元素循环中起着重要作用。古菌 在土壤的氨的氧化中起着关键作用，它们把氨氧化成亚硝酸盐，亚硝酸盐再被其 他微生物作用生成可被植物吸收的硝酸盐 2 7 】。 某些古菌参与了硫的循环，它们通过氧化岩石中的硫化物，使硫元素释放出 来，这些硫元素可被其它有机体吸收，进入生物圈循环。 在碳的循环中，产甲烷古菌是极为重要的甲烷生产者。在海洋沉积物、沼泽、 污水处理厂等厌氧环境下，该类古菌可以将有机物降解为甲烷 2 8 】。然而甲烷是 地球大气中最丰富的温室效应气体之一，占温室效应气体的1 8 。甲烷的温室效 应作用是二氧化碳的2 5 倍。产甲烷古菌是大气甲烷的主要来源，在每年的甲烷 排放中负主要责任。因此，这类古菌在全球温室效应中起着重要作用。 1 4 2 经济和社会价值 很多古菌大多生长在普通微生物不能生存的那些极端环境中。它们体内产生 8 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 的各种酶一般也能在极端的条件下稳定性好、保持活性【2 9 ，3 0 】，而我们的生产、 生活中经常会碰到这样的极端条件，用现代生物技术在古荫中提取各种酶，开发 出新的资源宝库，造福于人类。古菌极端酶资源的研究与开发利用成为现代生物 技术的重要领域，在食品、医药、制革、石油开采及废物处理等方面都显示出巨 大的应用潜力。 食品中的应用 食品加工过程中，通常要经过脂肪水解、蛋白质消化、纤维素水解等过程处 理，所以要用到高温环境，这时各种嗜热性古菌蛋白酶、淀粉酶及糖化酶就可以 发挥重要作用 3 l 】。例如用淀粉生产果糖浆，普通的葡萄糖异构酶在中温条件下 催化果糖产量很少。目前科学家从某种嗜热古菌中分离出一种超级嗜热的葡萄糖 异构酶，这种酶也能把葡萄糖转化为果糖，在高温条件下提高了果糖的产量。 工业中的应用 工业生产中有时需要高温，有时也会用到低温，此时嗜冷酶在低温条件下有 着很好的稳定性，如某种嗜冷菌的蛋白酶、酯酶、淀粉酶等可作为洗涤剂添加物， 能减少能量消耗和对衣物的磨损，如美国华盛顿州立大学研究的嗜冷碱性蛋白酶 应用于洗涤剂工业 3 2 】，使加酶洗涤剂在冷水中洗涤效果明显加强，改变了欧洲 传统的热水洗涤方法，从而节约能源。在乳酪制造业中，使用嗜冷的凝乳酶可防 止剩余的蛋白质水解等等 3 1 】。目前，对古菌的酶的研究还处于初期阶段，但随 着对各种古菌基因结构的深入研究及其适应极端机理的认识，人们将通过基因工 程等现代分子生物学技术筛选和重组出许多古菌酶，为生物技术的 造纸工业传统的方法是利用强酸或强碱使木质素被水解，但会产生严重的环境污 染。从嗜热菌中分离得到一种木聚糖内切酶，在1 0 5 条件下能有效地去除木质 素，减少对化学漂白剂的用量，从而减少了对环境的污染。 在石油开采过程中，可以利用一些古菌体内某些特有的酶来提高采油率。现 在开采石油一般需要用压裂液或胶在岩石床加压，岩层被压裂后出现裂缝，此时 我们可以用酶使压裂液水解，从而降低油的黏度，来加速石油或气体的流出。但 由于井下温度很高，常温酶在高温时活力低，科学家从嗜热菌中分离得到一种纤 维素酶，在1 0 0 时仍具有很高的催化活性，从而达到了高温时使物质水解的效 果。古菌及酶采油技术在我国也得到很快发展，许多油田开展了微生物采油技术 9 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 的推广应用。 石油和煤燃烧后会排放大量的二氧化硫，进入大气后会污染环境和产生温室 效应，用微生物除硫现在看来要好于一般的化学方法。早在上世纪8 0 年代，在 脱硫过程中利用了嗜热酶，该反应迅速，无硫酸生成，因而具有较高的经济价值 和社会效益。 在矿物的处理中，嗜酸的古菌可以从矿石中提取金属，在金矿、钼矿和铜矿 中有广泛应用 3 3 。 制药中的应用 在古菌中一类新的抗生素古菌素已经被发现。只有很少的古菌素被描 述，科学家相信会有更多的未被发现，特别是在嗜盐菌和嗜热古菌 3 4 】。因为这 类化合物在结构上与细菌的抗生素不同，所以相信具有新奇的功能。新型古菌的 发现依赖与环境中古菌新种的发现和培养 l o 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 第二节深海古菌多样性的研究进展 2 1 深海古菌多样性的研究进展 2 1 1 深海生态环境的特点 地球是颗蓝色的星球，海洋覆盖了地球表面7 0 以上的面积，同样海洋沉积 物覆盖了地球表面7 0 以上的面积。深海一般指的是水深超过了1 0 0 0 m 的海区， 约占地球海洋总面积的7 5 ，约占地球表面积的一半。直到近代人们对深海的 了解还十分有限。最近三十年来，随着现代科学技术的发展，深海才刚刚被探索 和研究。已有的发现与陆地世界相比较，深海世界有四个典型特征。 一是高压，水深每增加1 0 米，其静压力约增加1 大气压，所以超过1 0 0 0 米的 深海海底要承受l o o 个以上大气压的静压力，而在马里亚纳海沟( 水深1 0 9 2 4m ) ， 静压力超过了1 0 0 0 个大气压，可谓超高压 3 5 ，3 6 】。 二是深海的世界一片黑暗，光线早在距洋面几十米深的水体中就被迅速吸 收掉了。如果深海里有生命存在，那么已无法依靠光合作用。 三是深海是个低温的世界，除了地中海外深海世界大部分处于低温之中 ( 1 4 ) ，但也有一些地方有热泉喷出口，不断喷出的热泉，使周围形成中心 水温高达3 0 0 4 0 0 的高温环境。迄今为止，已发现和报道了2 0 多个分布点。 四是寡营养，研究发现，海洋真光层产生的有机质9 9 在l o o o m 以上被矿化 或吸收，仅有1 3 且难以降解的物质到达深海，它却是维持深海生态系统的基 本营养源泉这些沉降物由一系列不同大小的、活的及死的浮游植物、浮游动物及 它们的排泄物组成，一般大于0 5m m ，在水下看起来就像雪花，被称为“海雪 ( m a r i n es n o w ) ，它的数量决定了深海生物的多少及活性。沉降的“海雪 给深海 微生物带来绝好的生长机会，它们在短的时间里加强d n a 和蛋白质的合成，并 且微生物的生物量随沉降物的季节性变化而变动。微生物产生的水解酶将大颗粒 物质降解成小分子物质，以维持自己的代谢活动，这表明深海微生物比表层的更 为有效地利用难以降解的有机物质，深海微生物的生长受营养来源的影响很可能 比周围的高压和低温环境的影响要大 3 7 】。沉积物中的有机质被深海微生物群落 再生循环，构成了常见的碳循环、硫循环、氮循环等。 2 0 世纪7 0 年代后期发现海底热液生态系统，人们证实深海的化能自养细菌可 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 利用地壳上涌的矿物质扮演初级生产者的角色，成为洋底生物类群的另一类食物 来源。化能自养微生物主要存在于热液区与冷泉区。用放射性碳标记证明热液区 的化能合成非常活跃，无机化能自养菌是热液区的生物类群的主要营养物质。冷 泉区也存在着丰富多样的生物，它与热液区的生物量十分相近，且两个区域的微 生物都依赖于对硫化物的氧化作为能源【3 7 】。 总之，深海区域中的微生物利用海洋真光层的沉降物、海底上升的矿物质及 环境中的c 0 2 作为它们的营养物质。 2 1 2 深部生物圈的发现 深海沉积物中的微生物生存面临高压、低温或高温、黑暗及寡营养水平等几 个主要极端环境，长期以来一直被认为是一片“荒芜的沙漠。1 9 7 7 年美国“阿 尔文”号深潜器最早在太平洋上的加拉帕戈斯群岛附近2 5 0 0 米的深海热液区发现 了完全不依赖于光合作用而独立生存的独立生命体系。位于生命体系金字塔底部 的是微生物，能直接利用深海火山口喷出的硫化物、氮化物、甲烷等低分子化合 物作为食物和能源，合成各种生物大分子如蛋白质、糖等。位于金字塔上部的是 一些大型生物包括蠕虫、长管虫、贻贝类、蛤类，还有蟹类、藤壶、水母等特殊 的生物群落。有人将这样生机勃勃的海底生物世界称为海底“生命绿洲”。目前 世界上已经有几十个深海热液区生物体系被研究。 虽然海底采集沉积柱状样已经有近8 0 年的历史，大规模的系统研究开始于 1 9 6 8 年的深海钻探计划。1 9 6 8 1 9 8 3 年的“深海钻探 ( d e e ps e ad r i l l i n gp r o j e c t ， d s d p ) 、1 9 8 5 2 0 0 3 年的“大洋钻探( o c e a nd r i l l i n gp r o g r a m ，o d p ) 和2 0 0 3 至 今“综合大洋钻探”( i n t e 伊a t e do c e a nd r i l l i n gp r o g r a m ，i o d p ) 等深海研究的三部 曲 3 8 】。大洋钻探计划多个航次调查了太平洋边缘海域沉积物中细菌和古菌的多 样性，包括日本海、n a n k i 海槽( 1 9 0 航次) 【3 9 】、w o o d l 砌( 海盆( 18 0 航次) 、卡斯卡 底古陆边缘( 1 4 6 航次) 【4 0 】、秘鲁边缘( 2 0 1 航次) 【4 1 】。此外，其他研究小组对鄂霍 次克海 4 2 】、地中海【4 3 】等海域也进行了微生物群落的研究。在数千米深海海底 存在着由微小的原核生物组成，数量极大的生物群，据估计，海底沉积物中的原 核生物生物量占全球原核生物生物量的1 2 5 6 ，全球生物总生物量的1 1 0 1 3 【4 4 。深海大洋中生物圈的发现，让人类认识到地球生态系统的真正基础可能在 于原核生物。正是这些原核生物多种多样的新陈代谢过程，产生了多种多样生物 1 2 南海北部两根沉积物柱古菌多样性比较研究 地球化学效果，在此基础上建立了全球的生态系统。 2 1 3 深海古菌多样性的研究进展 自从w b e s e 将古菌从细菌中独立归类后，越来越多的科学家对古菌产生了浓 厚的兴趣。人们试图在实验室培养古菌，d el o n g 在1 9 9 2 年【1 2 】、1 9 9 4 年【4 5 】的研 究均表明古菌的绝大多数种难以纯化培养。据估计，在目前技术条件下仅有0 o o l 到l 的微生物是可培养的。目前可培养的泉古菌主要属于暖球形菌目 ( c a l d i s p h a e m l e s ) 、除硫球菌目( d e s u l 缸r o c o c c a l e s ) 、硫化叶菌目( s u l f o l o b a l e s ) 和热变形菌( 1 1 1 e n l l o p r o t e a l e s ) 目四个目 4 6 】，可培养的广古菌大多属于嗜盐菌目 ( h a l o p l l i l e s ) 、嗜热菌目( t h e 珊o p l l i l e s ) 、产甲烷菌( m e t h a i l o g e n s ) 和硫酸盐还原菌 ( s u l f a t e r e d u c e r s ) 等 4 6 】。其中在可培养的泉古菌中除了氨的厌氧氧化古菌外，大 部分是嗜热的 4 7 】。基因研究表明可培养的