读书报告 汇报人 : 赵卓丽

读书报告 汇报人 : 赵卓丽 2016-5-21

Japan EXTREMOPHILES IF=2.306 极端微生物 世界上最大的盐碱沙漠中的微生物群落的分类学多样性分析 Kutch( 喀奇县 ): 印度西部古吉拉特邦辖县 宏基因组学

Contents 1 Abstract 2 Introduction 3 Materials and methods 4 5 Discussion

动态变化Abstract 盐碱沙漠七个样本多样性丰富微生物群落 宏基因组学 67 个古细菌属 Salinbacter (4.11-30.79%) 不同盐度不同季节覆盖了已知所有古菌属的 60% 高度正相关盐度 组成与咸水湖的海洋生物群落更为相似 拟杆菌门鞘脂杆菌纲鞘脂杆菌目泉发菌科

Introduction 极端自然环境 - 高盐度生态系统 盐湖 苏打水湖泊 咸水泉 盐沼泽 太阳能盐田 高盐度区域 Kutch 海洋和陆地生态系统的过渡区 水生微生物 土壤和沉积物中的微生物 占地 7505 平方公里 干燥 表面覆盖黑色沙土 经历极端气候条件 ( 夏季平均气温约 44 至 50 冬季最低温度接近或低于零度 ) 和高盐度环境使其具有独特的微生物群落多样性

Introduction Metagenomics 宏基因组测序 研究对象 研究方法 研究目的 特定生境中的微生物群落 采用新一代高通量测序技术, 获得环境微生物基因信息总和 环境微生物的群落结构 物种分类 系统进化 基因功能及代谢网络 综合性分析微生物在极端环境或特殊生态系统中的生存和适应机制 弥补用生物地球化学和细菌培养式的方法的局限性

Materials and methods 1 生境描述 采样 2 样品物理化学分析 3 DNA 提取 测序 4 实时荧光定量 PCR 5 生物信息学 统计分析

Materials and methods 1 生境 : 年平均温度 45, 年平均降水量 147mm, 海侵形成 2 在内陆沙漠, 盐度跨度大, 无人破坏处采样 S1 (23 48 39 N, 70 58 60 E) S2 (23 47 33 N, 71 0 29 E) S3 (23 54 29 N, 70 32 16 E) S5 (23 50 6 N, 69 31 8 E) S6 (23 56 27 N, 70 11 18 E) S4 (23 56 29 N, 70 11 18 E) S7 (23 56 26 N, 70 11 16 E 取自沙漠 150km 横断面的各个盐度处 2012.10 2013.4( 最热月份 ) 2013.7( 最潮湿月份 ) 每个样点 5-10 个样本随后混合用于宏基因组测序

Fig. 1 Map showing Great Rann of Kutch, Gujarat, INDIA and Images of sample collection sites (S1, S2, S3, S4, S5, S6,S7). a Map of Gujarat showing Great Rann of Kutch in the inset of India.b Geographical location of sample collection sites of Great Rann of Kutch.

1. 样品物理化学性质 PH:7.18-8.6 微碱性 导电率 :68.5MS/cm-513.3MS/cm 7 倍以上的盐度差别 总有机碳 :1.1-1.6% 总有机氮 :0.09-0.48%

2. 宏基因组分析和微生物多样性 235993491 387783372 bp 序列 M5nr IMG/M NCBI 数据库 细菌 :56-87% 古菌 :8-40% 病毒 :0.02-1% 真核生物 :0.1-2% 不可读取序列 :9-14% 主要原核生物 : 变形菌门 (18.6-47.7 %) 广古菌门 (7.9-40.1 %) 拟杆菌门 (9.1-18.7 %) 厚壁菌门 (5.8-8.4 %) 放线菌门 (2.1-5.8 %) 蓝藻细菌 (2-4.2%) 含量较少的门 : 绿弯菌门 (1-5.3%) 异常球菌 - 栖热菌门 (0.5-1.4%) 浮霉菌门 (1.3-3.9%) 芽单胞菌门 (1-1.9%)

2. 微生物多样性 细菌 变形菌门 相对丰度 门水平 : α- 变形菌 (5.7-19.4%) γ- 变形菌 (5.4-17.6%) δ- 变形菌 (5.4-11.6% ) 属水平 : β- 变形菌 (1.7-5.1%) ε- 变形菌 (0.2-0.5%) ζ- 变形菌 α- 变形菌 (135 个 ) γ- 变形菌 (167 个 ) δ- 变形菌 (60 个 ) β- 变形菌 (75 个 ) 海杆菌属 地杆菌属 硫杆菌属 伯克氏菌属

2. 微生物多样性 细菌 拟杆菌门 (68 个属 ) Salinibacter (0.7 13.8 %) Rhodothermus(0.7 1.7 %) 厚壁菌门 (146 个属 ) 芽孢杆菌属 (0.8 1.2 %) 放线菌门广泛存在于土壤和淡水和盐度较低的生境中 93 个属 红色杆菌属 (0.2-0.7%) 丰度最高 蓝藻细菌 ( 优势种为聚球藻属 ) 绿弯菌门 浮霉菌门 高盐度生境

2. 微生物多样性 古菌 古菌 (8-40%) 广古菌门 (67 个属 ) 产甲烷古菌 嗜盐古菌 嗜热古菌 4-11% 存在于炎热的高盐度生境

3. 随含盐量梯度变化的分类变化 Fig. 2 Taxonomic distribution of bacterial and archaeal phyla of saline desert of Kutch. Relative abundance of reads assigned to bacterial and archaeal phyla in the 7 metagenomes using M5nr database. 含盐量梯度 R=-0.77 R=-0.60 细菌丰度 古菌丰度 古菌对盐度的耐受力大于细菌

3. 随含盐量梯度变化的分类变化 Fig. 2 Taxonomic distribution of bacterial and archaeal phyla of saline desert of Kutch Relative abundance of reads assigned to bacterial and archaeal phyla in the 7 metagenome using M5nr database. 含盐量梯度 R=-0.69 Proteobacteria 负相关性 R=-0.70 Verrucomicrobia

形菌门蓝藻细菌随着盐度从低到高, 微生物群落有种群衰落的迹象 3. 随含盐量梯度变化的分类变化 含盐量梯度 非线性 放线菌门 绿弯菌门 螺旋体门 反向的 U 型弯曲 在低盐度和高盐度时丰度低 变含盐量最高的样品 S3 α- 变形菌百分比含量最高 β- 变形菌百分比含量最低含盐量较低的样品 S2 结果相逆 含盐量梯度 R=0.85 Salinibacter

高盐度 S3 S5 S6 中盐度 3. 随含盐量梯度变化的分类变化 富含广古菌门 ( 盐盒菌属 盐方菌属 盐几何菌属 富盐菌属 嗜盐碱单孢菌属 ) 优势菌属 :Salinibacter 属

低盐度 S1 S2 3. 随含盐量梯度变化的分类变化 细菌丰度 > 古菌丰度 产色素微生物 硫酸还原微生物丰度较高

4. 微生物群落的季节性变化 S6 10 月 (2012-10-31): 最高盐度样本 S4 4 月 (2013-4-28): 最热 平均气温 41 最高达到 49.5 S7 7 月 (2013-7-27): 最潮湿 月平均降水量 147mm 4 月 10 月 7 月 细菌 : 古菌 1.8:1 4:1 广古菌门 33.7% 34.4% 19.5% 拟杆菌门 11.3% 18% 9.11% 产甲烷古菌 7 月相比 4 月增长了 1.6 倍 不产甲烷古菌 7 月相比 4 月下降了 1.2 倍 从门水平 属水平观察到群落明显的季节性变化 优势种群维持不变

5. 多样性评估 稀疏曲线法 Fig. 3 Rarefaction analysis for the observed species. The rarefaction curves for samples S3, S4, S5, S6 and S7 reached the near-plateau phase representing good sampling depth; however, S1 and S2 did not reach a clear asymptote

香农指数 5. 多样性评估 S3: 细菌多样性最低 S2: 古菌多样性最低 S5: 细菌 古菌多样性最高 均匀性分析 非参数丰富度估计 细菌 :S1 最高 S3 最高 古菌 :S6 最高 S2 最高 季节性变化 S4: 细菌丰富度和多样性最高 S6: 古菌丰富度和多样性较高

6. 功能基因与代谢 主要功能基因分类 核心代谢功能 蛋白质代谢 (9.5-10.9%) 碳水化合物代谢 (6.4-10.2%) 氨基酸及其衍生物代谢 (5.0-8.8%) 维生素和色素代谢 (3.9-6.8%) 外源性物质的降解与代谢 (4.3%)

适应复杂的生境所采取的生存策略 6. 功能基因与代谢 应激响应基因占所有功能基因的 2.1-4.1% 氧化应激 (45.1-58.4%) 渗透压应激 (15.4-20.5%) 热休克应激 (12.4-28.2%) Fig. 5 Relative abundance of stress response gene categories. Relative abundances of genes related to stress response in SEED subsystem obtained from five location-based samples (S1, S2, S3, S5 and S6). Bar graph represents percentage of abundance

6. 功能基因与代谢 低盐度 中盐度样品 (S1 S2 S6): 氧化应激基因高表达 高盐度样品 (S3 S5): 氧化应激基因低表达 高盐度样品 (S3 S5): 渗透压应激基因高表达, 主要为拟杆菌门和嗜盐细菌

7. 与其他微生物群落组成进行比较 咸水湖 海洋河口海岸 Fig. 6 PCoA plot of the relative abundance of taxonomic (Phylum) profiles of the selected biomes. Principal coordinate analysis using Bray-Curtis distance of the selected biomes. Comparative sites include hot desert H1, H2 (Chihuahuan desert, New Mexico), H3 (Mojave desert, california); sea O1 (Puget Sound estuary) O2 (ElbaSant Andrea coast) O3 (Sargasso sea); saturated brine B1, B2 (Spain); solar saltern A1, A2 (Chula vista, CA); hypersaline lagoon L1, L2 (Marmenor, murcia) datasets. S1, S2, S4, S6 and S7 cluster with O1, O2 and O3 whereas S3 and S5 cluster with hypersaline lagoon L1, L2 metagenomes

嗜盐细菌多 7. 与其他微生物群落组成进行比较 相似度高 : α- 变形菌 β- 变形菌 Γ- 变形菌产甲烷菌嗜盐细菌 Fig. 7 Stacked bar representing distribution of various classes in saline desert and other saline and desert biomes. Stacked bar showing taxonomic distribution for all retrieved sequences

8. 与其他微生物群落功能进行比较 咸水湖 太阳能盐田的生物群落 海洋生物群落 Fig. 8 PCoA plot of functional SEED Subsystem level 1 of the selected biomes. Functional community composition of the saline desert metagenomes (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7) and other saline, hypersaline and desert environments, based on principal coordi- nate analysis of the relative abundances of all MG-RAST subsys- tems. Principal coordinate analysis using Bray-Curtis distance of the selected biomes. Comparative sites include hot desert H1, H2 (Chihuahuan desert, New Mexico), H3 (Mojave desert, california); sea O1 (Puget Sound estuary) O2 (Elba Sant Andrea coast) O3 (Sargasso sea); saturated brine B1, B2 (Spain); solar saltern A1, A2 (Chula vista, CA); hypersaline lagoon L1, L2 (Marmenor, murcia) datasets. Func- tional diversity patterns amongst biomes shows S1, S2, S4, S6 and S7 cluster with O1 and O2 whereas S3 and S5 cluster with O2, L1 and L2

9.qPCR 量化细菌和古菌 细菌 > 古菌 低盐度样本 高盐度样本 季节性影响 (S4 S6 S7): 古菌负荷较高

Discussion 季节性盐沼和世界上最大的盐沙漠 - 喀奇县沙漠 高温 降水 高盐度 宏基因组学 未知微生物群落在极端环境中的生存与适应机制, 功能属性 高盐土壤 沉积物 : 变形菌门 拟杆菌门 厚壁菌门 优势种群 本文研究盐碱沙漠显示了广古菌门的优势地位

Discussion 高盐度主导 Salinibacter 低盐度主导 Marinobacter, Rhodothermus and Rhodobacter 盐盒菌属 盐方菌属 盐几何菌属 富盐菌属 嗜盐碱单孢菌属 盐度是关键影响因素 Salinibacter 关键的环境影响因子

Discussion qpcr 列举分析 验证复杂的微生物组成中的微生物负荷 捕捉季节性变化时细菌和古菌的数量上的变化 功能水平 大量的碳水化合物代谢基因和 DNA 代谢基因 在极端环境下, 生物的核心基因对维持细胞的生存与繁殖进行了唯一响应 大量的氨基酸代谢基因表达 用于维持机体渗透压的基于氨基酸的一些溶质

Discussion 高水平的丙氨酸 天冬氨酸和谷氨酸表达 功能水平 维持连续酸性氨基酸的生物合成维护一个阳离子环境高系统 外源性物质生物质降解基因的存在 嗜盐菌可能被用来降低外源性物质的生物质化合物 多样性变化 氧化应激和渗透压力应激 低盐度的氧化应激反应大于高盐度可能是相关微生物在更广泛领域的一个可利用性

Discussion 季节性变化 7 月 : 绿弯菌门 蓝藻细菌 浮霉菌门 气候 : 干燥 极热 4 10 月 : 广古菌门对潮湿季节时沙漠转换为一个浅的含盐湿地环境的适应 物种进化

Discussion 海洋生态系统 陆地生态系统 盐碱沙漠 微生物生态学 分类学及其功能属性