海洋分子生态学PPT学习教案

1、会计学1海洋分子生态学海洋分子生态学海洋分子生态学导论海洋分子生态学导论1我国的海洋微型生物我国的海洋微型生物2海洋细菌生态学研究海洋细菌生态学研究3主要分子生物学技术主要分子生物学技术4第1页/共28页第2页/共28页以培养海洋微藻的K培养基培养。特点：以EDTA作为鳌合剂，且不含铜分离与培养PR02培养基很有效的分离培养基第3页/共28页球状球状,分裂前的细胞呈棒状分裂前的细胞呈棒状,革兰氏阴性细胞壁革兰氏阴性细胞壁,细胞质包含细胞质包含DNA、核酮糖、核酮糖-1，5-二磷酸羧化二磷酸羧化酶加氧酶、羧酶体及糖原小粒酶加氧酶、羧酶体及糖原小粒,具有类囊体具有类囊体周期：周期：具有彼此分离的具

2、有彼此分离的S期、期、Gl期和期和G2期期分子细胞生物学特征：基因组大小与真细菌分子细胞生物学特征：基因组大小与真细菌的基因组大小相近，的基因组大小相近，G+C）含量低）含量低原绿球藻具有独特的色素组成原绿球藻具有独特的色素组成二乙烯基二乙烯基叶绿素，还含有叶绿素，还含有-胡萝卜素、玉米黄质及一胡萝卜素、玉米黄质及一种类似叶绿素种类似叶绿素c的色素的色素第4页/共28页光合光合营养营养温度温度氮源氮源：不利不利用硝态氮用硝态氮磷磷：限制性限制性的营养元素的营养元素之一之一铁铁：“高氮高氮低叶绿素低叶绿素”？原绿球藻生原绿球藻生长最好的水长最好的水层随营养盐层随营养盐跃层的变化跃层的变化而变化而

3、变化对光强敏感对光强敏感细胞分裂受温度的严格控制细胞分裂受温度的严格控制第5页/共28页丰度高峰出现丰度高峰出现于夏秋季于夏秋季，丰，丰度低谷出现于度低谷出现于冬春季；表现冬春季；表现在丰度和深度在丰度和深度的分布的分布分布范围广泛分布范围广泛、数量极大、数量极大；主要栖息地大主要栖息地大洋贫营养海区洋贫营养海区；受海水温度；受海水温度的调控的调控垂直分布类垂直分布类型随地理位型随地理位置、季节及置、季节及水文条件的水文条件的变化而表现变化而表现出差异出差异，随，随氮跃层变化氮跃层变化自然地自然地理分布理分布季节变季节变动规律动规律垂直分垂直分布特征布特征第6页/共28页从分子遗传学水平揭示其

4、不同株系从分子遗传学水平揭示其不同株系之间的细微差别，之间的细微差别，MED4与与MIT9313明显的昼夜节律，明显的昼夜节律，DNA复制复制发生在傍晚时，细胞分裂发生在傍晚时，细胞分裂在夜间完成在夜间完成碳、氮、磷、铁的代谢碳、氮、磷、铁的代谢光的可得性，随光的可得性，随水深垂直变化的水深垂直变化的多样性大于水平多样性大于水平分布的多样性分布的多样性不同生态型的基因组比较不同生态型的基因组比较细胞分裂及细胞分裂及DNA复制的分子生物学复制的分子生物学原绿球藻营养分子生态学原绿球藻营养分子生态学原绿球藻的光适应及分子生态学原绿球藻的光适应及分子生态学第7页/共28页三种显著不同的类型三种显著不

5、同的类型：东海，丰度在表层：东海，丰度在表层上最大，向下逐渐减少；南海的深海区域上最大，向下逐渐减少；南海的深海区域，丰度极大值存在于表层以下；东海黑潮，丰度极大值存在于表层以下；东海黑潮水域，垂直分布无明显的最大值层水域，垂直分布无明显的最大值层原绿球藻是超微型自养生物中碳生物量的原绿球藻是超微型自养生物中碳生物量的主要贡献者，高增长速率，营养物质循环主要贡献者，高增长速率，营养物质循环和能量流动中扮演着重要角色。和能量流动中扮演着重要角色。南海原绿球藻遗传多样性非常丰富南海原绿球藻遗传多样性非常丰富第8页/共28页聚球藻聚球藻聚球藻聚球藻(Synechococcus)是海洋蓝细菌的是海洋蓝

6、细菌的主要代表性类群之一，为超微型光合自养原主要代表性类群之一，为超微型光合自养原核生物，其主要特征色素为藻红蛋白核生物，其主要特征色素为藻红蛋白(Phycoerythrin，PE)第9页/共28页藻胆蛋白藻胆蛋白温度和营养温度和营养细胞形态与结构特征细胞形态与结构特征球状或短棒状，体球状或短棒状，体积很小，在同一平积很小，在同一平面上以一分为二的面上以一分为二的方式进行横向分裂方式进行横向分裂，一般以单细胞的，一般以单细胞的形式存在。有藻胆形式存在。有藻胆体、羧化体、小囊体、羧化体、小囊泡和核糖体物质，泡和核糖体物质，具有运动功能具有运动功能藻胆蛋白藻胆蛋白聚球藻聚球藻光捕获色素的原因光捕获

7、色素的原因。一类为红色的藻。一类为红色的藻红蛋白红蛋白(PE)，另一，另一种为蓝色的藻蓝蛋种为蓝色的藻蓝蛋白白(PC)。最适生长温度一般最适生长温度一般为为2026；利用铵或硝酸盐作利用铵或硝酸盐作为为氮源氮源；S除了用于构成蛋除了用于构成蛋白质外，还被用于白质外，还被用于形成脂质（油脂）形成脂质（油脂）磷磷出现在低分子量出现在低分子量的复合物和的复合物和RNA中中对对微量元素微量元素需求低需求低第10页/共28页聚球藻的垂直分布聚球藻的垂直分布富含富含PE的聚球藻丰的聚球藻丰度最大值常出现在次度最大值常出现在次表层表层聚球藻丰度随地理聚球藻丰度随地理位置的变化位置的变化PE株系的聚球藻丰株系

8、的聚球藻丰度随地理位置的不度随地理位置的不同而有所变化数量同而有所变化数量随纬度增加而降低随纬度增加而降低；聚球藻的丰度也随聚球藻的丰度也随季节的变化而变化季节的变化而变化第11页/共28页研究方法研究方法纯培养的研究法纯培养的研究法原位研究法原位研究法流式细胞技术与分子生物学技术相结合的研究法流式细胞技术与分子生物学技术相结合的研究法遗传多样性遗传多样性MC-A 组：含藻红蛋白，生长需高盐组：含藻红蛋白，生长需高盐Na+、Cl-、Mg2+、Ca2+，在近海和大洋的透光层数量丰富；，在近海和大洋的透光层数量丰富；MC-B组：含藻蓝蛋白、不含藻红蛋白、多见于近岸组：含藻蓝蛋白、不含藻红蛋白、多见

9、于近岸MC-C 组：以低组：以低G+C含量为显著特点含量为显著特点对环境的对环境的生理响应生理响应分子标记能在基因转录和蛋白质水平上指示聚球藻对分子标记能在基因转录和蛋白质水平上指示聚球藻对低营养浓度的胁迫反应或光强变化的反应。低营养浓度的胁迫反应或光强变化的反应。分子生物学分析所产生的大量分子数据，使得聚球藻分子生物学分析所产生的大量分子数据，使得聚球藻以及其他海洋微型生物生态方面的研究获得了空前的以及其他海洋微型生物生态方面的研究获得了空前的进步进步第12页/共28页第13页/共28页聚球藻水平分布从总体来讲是近海高于外聚球藻水平分布从总体来讲是近海高于外海；海；垂直方向上分布层次相对较浅

10、，也呈现出垂直方向上分布层次相对较浅，也呈现出梯度分布，最大丰度值一般出现在近表层梯度分布，最大丰度值一般出现在近表层；聚球藻的分布受营养盐、光照、温度等的聚球藻的分布受营养盐、光照、温度等的影响；影响；具有明显的季节变化特征。具有明显的季节变化特征。第14页/共28页主要类群主要类群海洋生态作用海洋生态作用中国海细菌生态学中国海细菌生态学第15页/共28页变形细菌是所有细菌中种类最多变形细菌是所有细菌中种类最多生理特性上最具多样性的类群生理特性上最具多样性的类群噬纤维菌属噬纤维菌属-黄杆菌类群，即黄杆菌类群，即CFB类群形态多种多样，是细菌进化类群形态多种多样，是细菌进化树上一个重要的类群树

11、上一个重要的类群浮霉状菌细胞壁缺少肽聚糖浮霉状菌细胞壁缺少肽聚糖革兰氏阳性菌革兰氏阳性菌高（高（G+C）含量和低（）含量和低（G+C）含量两类）含量两类第16页/共28页氮循环氮循环两个主要过程是硝化作用和反硝化作用还包括利用可溶两个主要过程是硝化作用和反硝化作用还包括利用可溶性有机氮过程中对无机氮的吸收和铵的释放性有机氮过程中对无机氮的吸收和铵的释放磷循环磷循环异养细菌都是无机磷（异养细菌都是无机磷（Pi）的主要吸收者）的主要吸收者碳循环碳循环海洋浮游生物是地球上主要的光合作用参与者，是有机海洋浮游生物是地球上主要的光合作用参与者，是有机碳的主要来源，分解转化有机质碳的主要来源，分解转化有机

12、质硫循环硫循环厌氧生物降解过程中硫还原细菌起到很重要的作用厌氧生物降解过程中硫还原细菌起到很重要的作用能量循环能量循环细菌通过光合营养和化能营养采用多种不同的途径进行细菌通过光合营养和化能营养采用多种不同的途径进行能量的循环，合成能量的循环，合成ATP的方式：基质水平磷酸化呼的方式：基质水平磷酸化呼吸链磷酸化光合磷酸化少数红色嗜盐细菌利用光能吸链磷酸化光合磷酸化少数红色嗜盐细菌利用光能直接形成质子电荷梯度直接形成质子电荷梯度第17页/共28页长江口及邻近海域异养细菌的分布及其调控机制长江口及邻近海域异养细菌的分布及其调控机制东海异养细菌的分布及其调控机制东海异养细菌的分布及其调控机制长江口及邻

13、近海域受冲淡水影响较为剧烈，海洋表面温度、长江口及邻近海域受冲淡水影响较为剧烈，海洋表面温度、盐度、盐度、TIN浓度、叶绿素含量有显著的四季差异，总细菌浓度、叶绿素含量有显著的四季差异，总细菌的丰度四季也不同。的丰度四季也不同。东海多样的水文条件、显著的物理化学梯度、显著的东海多样的水文条件、显著的物理化学梯度、显著的季节差异，异养细菌和自养生物在不同的季节，不同季节差异，异养细菌和自养生物在不同的季节，不同的地理位置的丰度由于营养盐和温度的不同而有差异。的地理位置的丰度由于营养盐和温度的不同而有差异。第18页/共28页16SrRNADGGE和和TGGE原位原位PCR技术技术环境基因组学技术环

14、境基因组学技术T-RFLP第19页/共28页 DGGE和TGGE的原理：DGGE 是用尿素和甲酰胺等变性剂配制不同是用尿素和甲酰胺等变性剂配制不同浓度梯度的凝胶，不同浓度梯度的凝胶，不同Tm值的值的DNA在不同在不同浓度的变性剂条件下部分解链，导致分子构浓度的变性剂条件下部分解链，导致分子构象发生改变，从而影响其电泳迁移率，最终象发生改变，从而影响其电泳迁移率，最终形成位置不同的条带。形成位置不同的条带。TGGETGGE是以是以DGGE的原的原理为基础，只是利用温度梯度将不同理为基础，只是利用温度梯度将不同Tm值的值的各型各型DNA加以区分。加以区分。 第20页/共28页第21页/共28页1研

15、究微生物种群研究微生物种群结构及其动态变结构及其动态变化化提取提取DNA，以，以DNA为 模 板为 模 板 P C R 扩 增扩 增16SrRNA基因片段基因片段，将混合的，将混合的PCR产产物 进 行物 进 行 D G G E 或或TGGE，得到有不同，得到有不同位置组成的位置组成的DGGE、TGGE指纹图谱指纹图谱2研究有代谢活性研究有代谢活性的微生物群体结的微生物群体结构构DGGE 、TGGE被被用于研究生态环境用于研究生态环境中有代谢活性微生中有代谢活性微生物的种群结构以及物的种群结构以及与总微生物群体结与总微生物群体结构间的比较构间的比较3检测检测rRNA基因的基因的异质性用异质性用

16、16SrRNA基因序列基因序列数据估测生物多样数据估测生物多样性、构建系统进化性、构建系统进化树以及设计种属特树以及设计种属特异性探针时要考虑异性探针时要考虑16SrRNA基因序列基因序列的异质性的异质性第22页/共28页产物克隆产物克隆RFLP筛选筛选分析和测序分析和测序引物引物制备模板制备模板Your TextPCR扩增扩增有效地和目标有效地和目标DNA片段杂交并获得片段杂交并获得预期的扩增片段预期的扩增片段 限制性酶切分析限制性酶切分析前期处理前期处理该技术可有效地确定微生物的进化和分类的地位该技术可有效地确定微生物的进化和分类的地位有效地遏制有效地遏制DNA的污染的污染构建克构建克隆文

17、库隆文库实验方法实验方法第23页/共28页T-RFLP技术技术是是将将PCR(聚合酶链式反应聚合酶链式反应)、RFLP（限制性（限制性片段长度多态性）技术、毛细管电泳技术和片段长度多态性）技术、毛细管电泳技术和DNA测序技术测序技术相结合的一种全新、有效的微生物群落结构的分析方法相结合的一种全新、有效的微生物群落结构的分析方法T-RFLP实验的主要流程实验的主要流程提取提取DNA荧光标记荧光标记的引物进的引物进行行PCR扩扩增增纯化浓缩纯化浓缩PCR产物产物消化消化PCR产物产物凝胶或毛凝胶或毛细管电泳细管电泳分离酶切分离酶切产物产物第24页/共28页通过对基因组文库进行分析研究，不仅可以获得通过对基因组文库进行分析研究，不仅可以获得环境样品中微型生物群落的组成信息，还可以通环境样品中微型生物群落的组成信息，还可以通过探针筛选来寻找感兴趣的功能基因或探索未知过探针筛选来寻找感兴趣的功能基因或探索未知的新基因。该技术大大推动了科学家对海洋中微的新基因。该技术大大推动了科学家对海洋中微型生物的多样性、微型生物群体间的相互作用和型生物的多样性、微型生物群体间的相互作用和微型生物系统发育与进化的了解微型生物系统发育与进化的了解BA