古菌细胞膜脂在生物地质学中的应用

古菌是区别于真核生物和原核生物的第3种生命形式, 对于揭示全球元素循环、指示地质环境等意义重大, 是目前生物地球化学研究的热点之一, 本文综述了近几十年来, 古菌细胞膜脂应用于生物地质学等方面的研究进展, 并对古菌该研究领域尚待加强的方面进行了评述和展望。     

四醚膜类脂物的古温标——TEX86

TEX86是一种新的重建古海水和古湖水表层水体温度（SST和LST）的指数。此指数不受表层水体的营养状况和盐度等参数的影响,能广泛应用于缺乏碳酸岩和有孔虫的沉积物的沉积相和早至白垩纪Aptian期地层的古温度重建。文章详细介绍了用于TEX86分析的类异戊二烯GDGTs的结构及其源生物,以及TEX86温标的原理、分析方法、应用和仍存在的问题。     

四醚膜类脂物的古温标——TEX_(86)北大核心

TEX86是一种新的重建古海水和古湖水表层水体温度(SST和LST)的指数。此指数不受表层水体的营养状况和盐度等参数的影响,能广泛应用于缺乏碳酸岩和有孔虫的沉积物的沉积相和早至白垩纪Aptian期地层的古温度重建。文章详细介绍了用于TEX86分析的类异戊二烯GDGTs的结构及其源生物,以及TEX86温标的原理、分析方法、应用和仍存在的问题。     

古菌细胞膜脂在古菌群落组成及其对环境响应研究中的应用

古菌作为区别于细菌和真核生物的第3种生命形式广泛分布于各种生境,与碳、氮等元素的生物地球化学循环密切相关,在整个生态系统中具有重要作用.古菌细胞膜脂作为古菌重要的生物标志物,在其群落组成和对环境变化响应的研究中具有重要指示作用.本文介绍了古菌细胞膜脂的结构特征及不同古菌类群间细胞膜脂结构差异,用以表征古菌群落的组成特征.环境中细胞膜脂丰度可反映古菌生物量,并可与基于DNA的分子生物学手段在结果准确性、分析效率和经济成本方面互补和互证.在重点介绍应用古菌细胞膜脂分析古菌群落组成和丰度的难点和重要性的基础上,结合影响古菌群落变化的环境因子如温度和pH,进一步阐述古菌与所处生境的关系,分析古菌群落演化过程及其在地球化学和地质历史事件研究方面的应用前景.     

低温细菌与古菌的生物多样性及其冷适应机制

低温细菌与古菌广泛分布于地球的低温环境,包括南极、北极及高山地带的冻土、低温土壤和荒漠、冰川、湖泊、海冰,以及深海、冰洞和大气平流层等.栖息在这些低温环境中的细菌与古菌具有丰富的多样性,主要为α,p和γ-Proteobacteria分支、CFB类群分支和革兰氏阳性细菌分支等.由于低温环境中的微生物流动性低,因而是研究微生物地理学理想的生态系统,有助于理解地球微生物的多样性、分布规律乃至形成机制.由于长期生活在冰冻环境中,低温细菌与古菌形成了多种适应低温环境的生理机制,如它们通过细胞膜脂类的组成来调节膜的流动性以维持正常的细胞生理功能;利用相容性溶质、抗冻蛋白、冰核蛋白及抗冰核形成蛋白等实现低温保护作用;产生冷激蛋白、冷适应蛋白和DEAD-box RNA解旋酶保持低温下RNA的正确折叠、蛋白质翻译等重要的生命活动;另外还产生低温酶,提高能量产生和储存效率等以适应低温环境.随着DNA序列分析技术的飞速发展,各类组学方法也用于揭示微生物全局性的冷适应机制.     

Mefluidide对玉米叶片线粒体膜脂组成的影响及其与抗冷力的关系

Mcfluidide叶面喷洒处理玉米幼苗,常温下可提高叶片线粒体膜脂中磷脂酰胆碱含量和脂肪酸中亚油酸含量,降低棕榈酸含量。当处理和未处理幼苗在5℃低温下生长6d期间,两者的磷脂酰胆碱含量均随低温时间的延长而递减,但处理苗的含量一直高于对照苗的含量。对照苗的亚油酸含量亦随低温时间的延长而递减,处理苗的亚油酸含量则在6d低温期间基本保持稳定,且一直高于对照。对照苗的棕榈酸含量随低温时间延长而递增,处理苗表现为短期低温棕榈酸含量降低,长期低温含量增加,但仍较对照为低,因而处理苗的脂肪酸不饱和度和亚油酸/棕榈酸比值始终高于对照苗。     

A combined lipidomic and 16S rRNA gene amplicon sequencing approach reveals archaeal sources of intact polar lipids in the stratified Black Sea water column

Archaea are important players in marine biogeochemical cycles, and their membrane lipids are useful biomarkers in environmental and geobiological studies. However, many archaeal groups remain uncultured and their lipid composition unknown. Here, we aim to expand the knowledge on archaeal lipid biomarkers and determine the potential sources of those lipids in the water column of the euxinic Black Sea. The archaeal community was evaluated by 16S rRNA gene amplicon sequencing and by quantitative PCR. The archaeal intact polar lipids (IPLs) were investigated by ultra‐high‐pressure liquid chromatography coupled to high‐resolution mass spectrometry. Our study revealed both a complex archaeal community and large changes with water depth in the IPL assemblages. In the oxic/upper suboxic waters (<105 m), the archaeal community was dominated by marine group (MG) I Thaumarchaeota, coinciding with a higher relative abundance of hexose phosphohexose crenarchaeol, a known marker for Thaumarchaeota. In the suboxic waters (80–110 m), MGI Nitrosopumilus sp. dominated and produced predominantly monohexose glycerol dibiphytanyl glycerol tetraethers (GDGTs) and hydroxy‐GDGTs. Two clades of MGII Euryarchaeota were present in the oxic and upper suboxic zones in much lower abundances, preventing the detection of their specific IPLs. In the deep sulfidic waters (>110 m), archaea belonging to the DPANN Woesearchaeota, Bathyarchaeota, and ANME‐1b clades dominated. Correlation analyses suggest that the IPLs GDGT‐0, GDGT‐1, and GDGT‐2 with two phosphatidylglycerol (PG) head groups and archaeol with a PG, phosphatidylethanolamine, and phosphatidylserine head groups were produced by ANME‐1b archaea. Bathyarchaeota represented 55% of the archaea in the deeper part of the euxinic zone and likely produces archaeol with phospho‐dihexose and hexose‐glucuronic acid head groups.     

Niche segregation of ammonia-oxidizing archaea and anammox bacteria in the Arabian Sea oxygen minimum zone

Ammonia-oxidizing archaea (AOA) and anaerobic ammonia-oxidizing (anammox) bacteria have emerged as significant factors in the marine nitrogen cycle and are responsible for the oxidation of ammonium to nitrite and dinitrogen gas, respectively. Potential for an interaction between these groups exists; however, their distributions are rarely determined in tandem. Here we have examined the vertical distribution of AOA and anammox bacteria through the Arabian Sea oxygen minimum zone (OMZ), one of the most intense and vertically exaggerated OMZs in the global ocean, using a unique combination of intact polar lipid (IPL) and gene-based analyses, at both DNA and RNA levels. To screen for AOA-specific IPLs, we developed a high-performance liquid chromatography/mass spectrometry/mass spectrometry method targeting hexose-phosphohexose (HPH) crenarchaeol, a common IPL of cultivated AOA. HPH-crenarchaeol showed highest abundances in the upper OMZ transition zone at oxygen concentrations of ca. 5 μ, coincident with peaks in both thaumarchaeotal 16S rDNA and amoA gene abundances and gene expression. In contrast, concentrations of anammox-specific IPLs peaked within the core of the OMZ at 600 m, where oxygen reached the lowest concentrations, and coincided with peak anammox 16S rDNA and the hydrazine oxidoreductase (hzo) gene abundances and their expression. Taken together, the data reveal a unique depth distribution of abundant AOA and anammox bacteria and the segregation of their respective niches by >400 m, suggesting no direct coupling of their metabolisms at the time and site of sampling in the Arabian Sea OMZ.     

大豆异黄酮代谢途径在大肠杆菌中的构建及表达

自然界异黄酮合成途径主要存在于豆科植物中。以微生物为宿主研究异黄酮代谢,则需要将整个相关代谢途径的多酶体系组装到工程菌种,从而进行表达及代谢研究,这就需要用到多基因的转化和共表达技术。综合应用了多基因单载体和多基因多载体方法,将大豆异黄酮代谢途径中的五个关键酶基因导入到大肠杆菌中,对异黄酮代谢途径在大肠杆菌中的构建和表达进行了研究和探索,获得了含有五个外源基因的重组大肠杆菌;重组菌经IPTG诱导,以L-酪氨酸为底物进行发酵,发酵产物经过HPLC测定,结果表明和空白对照相比有新的代谢产物生成,初步断定为异黄酮类化合物。     

大豆异黄酮代谢途径在大肠杆菌中的构建及表达

自然界异黄酮合成途径主要存在于豆科植物中。以微生物为宿主研究异黄酮代谢,则需要将整个相关代谢途径的多酶体系组装到工程菌种,从而进行表达及代谢研究,这就需要用到多基因的转化和共表达技术。综合应用了多基因单载体和多基因多载体方法,将大豆异黄酮代谢途径中的五个关键酶基因导入到大肠杆菌中,对异黄酮代谢途径在大肠杆菌中的构建和表达进行了研究和探索,获得了含有五个外源基因的重组大肠杆菌;重组菌经IPTG诱导,以L-酪氨酸为底物进行发酵,发酵产物经过HPLC测定,结果表明和空白对照相比有新的代谢产物生成,初步断定为异黄酮类化合物。     

蓝粒小麦花青素生物合成途径中的二氢黄酮醇4-还原酶基因的分子克隆

蓝色色素在蓝粒小麦种子糊粉层中的生物合成途径的分子生物学机制至今仍不清楚。应用RT—PCR和RACE方法从蓝粒小麦正在发育的种子中克隆到一个编码二氢黄酮醇4-还原酶的基因(DFR)。推测其为花青素生物合成途径中的一个关键基因,且与蓝粒小麦中蓝色色素形成密切相关;其开放阅读框编码一个包含354个氨基酸残基的多肽,与一些从其他植物中已克隆到的DFR有很高的同源性：大麦(94％)、水稻(83％)、玉米(84％)。从长穗偃麦草(2n=70)、蓝粒小麦、浅蓝粒小麦自交产生的白粒后代小麦以及中国春的基因组中分别分离到一个全长DFR序列。经聚类分析表明DFR cDNA核甘酸序列与从中国春基因组中克隆的DFR具有100％的同源性,且与长穗偃麦草、蓝粒小麦、白粒小麦基因组中分离的DFR均有很高的同源性。4个DFR基因组DNA均含有3个内含子,且它们之间的差异主要在内含子区,表明该基因在进化上很保守。经Southern杂交分析,DFR小麦中至少有3-5个拷贝,不同小麦材料间未见明显差异,但与长穗偃麦草有明显差异,属于一个DFR超基因家族。Northern分析表明该DFR在蓝粒和白粒种子的不同发育时期的表达存在明显差异,都在开花后大约18d表达最强,在同一时期的蓝白种子中,DFR蓝粒种子中的表达量高于白粒。DFR转录本在小麦和长穗偃麦草的幼叶中积累多,但在芽鞘中的表达显著低于幼叶中;在小麦的根和长穗偃麦草的发育种子中均未检测到DFR的表达。推测蓝粒小麦中可能存在调控DFR在蓝粒小麦中表达的调控基因,类似于玉米花青素合成途径中的调节基因。     

蓝粒小麦花青素生物合成途径中的二氢黄酮醇4-还原酶基因的分子克隆

蓝色色素在蓝粒小麦种子糊粉层中的生物合成途径的分子生物学机制至今仍不清楚.应用RT-PCR和RACE方法从蓝粒小麦正在发育的种子中克隆到一个编码二氢黄酮醇4-还原酶的基因(DFR).推测其为花青素生物合成途径中的一个关键基因,且与蓝粒小麦中蓝色色素形成密切相关;其开放阅读框编码一个包含354个氨基酸残基的多肽,与一些从其他植物中已克隆到的DFR有很高的同源性:大麦(94%)、水稻(83%)、玉米(84%).从长穗偃麦草(2n=70)、蓝粒小麦、浅蓝粒小麦自交产生的白粒后代小麦以及中国春的基因组中分别分离到一个全长DFR序列.经聚类分析表明DFR cDNA核甘酸序列与从中国春基因组中克隆的DFR具有100%的同源性,且与长穗偃麦草、蓝粒小麦、白粒小麦基因组中分离的DFR均有很高的同源性.4个DFR基因组DNA均含有3个内含子,且它们之间的差异主要在内含子区,表明该基因在进化上很保守.经Southern杂交分析,DFR在小麦中至少有3～5个拷贝,不同小麦材料间未见明显差异,但与长穗偃麦草有明显差异,属于一个DFR超基因家族.Northern分析表明该DFR在蓝粒和白粒种子的不同发育时期的表达存在明显差异,都在开花后大约18 d表达最强,在同一时期的蓝白种子中,DFR在蓝粒种子中的表达量高于白粒.DFR转录本在小麦和长穗偃麦草的幼叶中积累多,但在芽鞘中的表达显著低于幼叶中;在小麦的根和长穗偃麦草的发育种子中均未检测到DFR的表达.推测蓝粒小麦中可能存在调控DFR在蓝粒小麦中表达的调控基因,类似于玉米花青素合成途径中的调节基因.     

厌氧氨氧化菌的代谢途径及其关键酶的研究进展

作为新型生物脱氮工艺的代表,厌氧氨氧化反应的代谢功能菌——厌氧氨氧化(Anammox)菌也逐渐成为研究的热点。本文介绍了10种Anammox菌的发现过程,阐述了Anammox菌的关键酶的研究进展。通过对Candidatus"Brocadia anammoxidans"和Candidatus"Kuenenia stuttgartiensis"菌的代谢途径的分析和推理,综述了化学计量模型、生化反应模型和能量代谢模型,并提出了一种可能存在的基于关键酶的厌氧氨氧化菌微界面代谢新途径。     

吸水链霉菌17997格尔德霉素部分生物合成基因簇的克隆和分析

吸水链霉菌17997(Streptomyceshy groscopicus17997)是我所从中国云南土壤中分离到的格尔德霉素(geldanamycin,GDM)产生菌,GDM具有良好的抗肿瘤和抗病毒活性,但其肝毒性和水溶性差的缺点限制了其在临床上的应用。为了实现对GDM结构的生物学改造,首先要获得GDM的生物合成基因。根据GDM后修饰基因——氨甲酰基转移酶基因(gdmN)的保守序列筛选S.hygroscopicus17997的柯斯质粒基因组文库,共获得6个阳性克隆,选择CT-4阳性柯斯质粒进行亚克隆和测序,又通过PCR延伸的方法获得了与CT4连锁的将近5kb的外源序列,共获得28.356kb的外源DNA序列,其中包含了13个可能阅读框架,通过同源比较证实该序列与S.hygroscopicusNRRL3602中的GDM生物合成基因有很高的同源性。为进一步研究GDM生物合成基因的功能,并通过组合生物学的方法改造GDM的结构奠定了基础。