甲烷胞菌对低氢和互营生长在转录水平的响应

【摘要】：甲烷是重要的温室气体之一。Methanocellales在水稻田甲烷产生和全球碳循环中起着关键作用。Methanocellales是有机质厌氧降解产甲烷的主要参与者,在脂肪酸互营降解过程中发挥重要作用。Methanocellales对低H2和互营生长存在独特的适应性,但到目前为止,缺乏Methanocellales对低H2和互营生长适应机制的相关研究。因此,本论文以分离自水稻土的Methanocella conradiiHZ254作为模式菌株,通过构建丙酸和丁酸互营降解体系,借助荧光定量PCR和新兴的链特异性转录组测序技术,对M. conradii的低H2和互营生长适应机制在转录水平展开研究,主要获得以下研究结果。 第一,我们对已有的丙酸互营体系进行了传代和培养,并建立了新的丁酸互营体系。M.conradii能够与Pelotomaculum thermopropionicum SI(丙酸互营细菌)和Syntrophothermus lipocalidus TGB-C1(丁酸互营细菌)形成稳定高效的互营体系。通过荧光定量PCR对产甲烷及乙酸吸收的21个关键基因进行定量,发现在不同互营条件下,M. conradii产甲烷途径相关酶系,尤其是电子歧化复合体编码基因表达显著提高,而乙酸吸收同化相关的基因表达显著下调。 第二,通过RNA-Seq技术对M. conradii与P. thermopropionicum构成的丙酸互营体系进行了转录组测序和分析。M. conradii和P. thermopropionicum通过强化能量转化相关途径的功能以适应互营生长及其所形成的低H2和能量胁迫。M. conradii的测序分析结果与定量结果相同,并且还发现ATP合酶和新型的Ech-like/Hdr’复合体编码基因的表达也显著上调。而P.thermopropionicum核心产能途径基因表达同样显著提高。在互营条件下,M. conradii和P.thermopropionicum生长速率降低,物质合成和细胞建成相关的基因表达显著下调。M. conradii中存在完整的TCA循环氧化支路,并且相关基因在互营条件下表达显著下调。M. conradii氮的吸收同化和氨基酸的合成在互营条件下也受到抑制。P. thermopropionicum具有相似规律,并且P. thermopropionicum更加依赖于外源有机氮的摄取。 第三,转录组的分析结果和相关生理实验均证明,依赖于甲酸的电子传递在M. conradii参与的互营过程中起着关键作用。M. conradii甲酸脱氢酶在丙酸和丁酸互营条件下表达显著提高,与之对应P. thermopropionicum甲酸脱氢酶在互营条件下表达也显著上调。M. conradii中甲酸可能直接参与电子歧化过程,而P.thermopropionicum中H2和甲酸的产生依赖于具有电子共聚潜力的氢酶和甲酸脱氢酶。 第四,通过对M. conradii和P. thermopropionicum转录组数据的综合分析发现,M. conradii和P. thermopropionicum存在多重相互作用。除依赖于H2和甲酸的种间电子传递外,它们还可能存在氨基酸等物质的交流和依赖于直接接触的种间信号传递。P. thermopropionicum存在数量众多的信号传递系统,在互营条件下部分信号传递系统发生了显著变化,在互营中可能对相关代谢过程起着重要的调控作用。 本论文首次对Methanocella的纯培养开展基因表达的研究,揭示了M. conradii和P.thermopropionicum对低H2和互营生长在转录水平的响应规律和M. conradii与P.thermopropionicum之间存在的多重相互作用。相关结果对于理解甲烷胞菌对低H2和互营生长环境的适应机制具有重要意义。 【关键词】：甲烷胞菌 产甲烷 互营 甲酸 RNA-Seq
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X172
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 縮写词表8-9
• 目录9-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 研究意义11-12
• 1.2 有机质厌氧降解产甲烷12-15
• 1.3 Methanocellales的研究现状15-18
• 1.4 互营细菌及其能量转化机制18-21
• 1.5 产甲烷古菌和互营细菌的相互作用21
• 1.6 产甲烷古菌对低H_2和互营生长的响应21-22
• 1.7 转录组学研究方法22-23
• 1.8 研究目的、内容和技术路线23-25
• 第二章 材料与方法25-37
• 2.1 材料25-26
• 2.2 方法26-37
• 第三章 M. conradii及其互营体系的构建与生理特性研究37-42
• 3.1 前言37
• 3.2 方法37-38
• 3.3 结果38-41
• 3.4 讨论41
• 3.5 小结41-42
• 第四章 M. conradii产CH_4和乙酸吸收途径基因表达对低H_2和互营生长的响应42-58
• 4.1 前言42-43
• 4.2 方法43-46
• 4.3 结果46-53
• 4.4 讨论53-57
• 4.5 小结57-58
• 第五章 M. conradii单培养和丙酸互营条件下的转录组分析58-84
• 5.1 前言58
• 5.2 方法58-61
• 5.3 结果61-79
• 5.4 讨论79-83
• 5.5 小结83-84
• 第六章 P.thermopropionicum单培养和丙酸互营条件下的转录组分析84-101
• 6.1 前言84
• 6.2 方法84-85
• 6.3 结果85-96
• 6.4 讨论96-99
• 6.5 小结99-101
• 第七章 结论与展望101-103
• 7.1 主要结论101
• 7.2 主要创新点101-102
• 7.3 展望102-103
• 参考文献103-111
• 附录111-131
• 致谢131-132
• 个人简历132

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