假交替单胞菌多糖利用能力的分化及其基因组基础

Marine copiotrophic bacteria have a high level of diversity in genetic, physiology, and ecology. However, its underlying mechanism is far from clear. This project is aimed to uncover the genomic basis underlying the ecological niche differentiation, through the study of the utilizations of two polysaccharides, chitin from animals and alginate from brown algae, by Pseudoalteromonas, a genus of copiotrophic marine bacteria that are ubiquitous in global oceans. Firstly, key enzymes involved in chitin degradation and utilization by species P. flavipulchra will be identified and keys enzymes involved in alginate degradation and utilization by species P. agarivorans will be identified. Next, the abilities to produce chitinases and alginate lyases and to use chitin and alginate will be tested for each species and ecological niche differentiation and the underlying molecular basis will be uncovered. Lastly, based on phylogenetic analysis and comparative genomics, the relationships between the ecological niche differentiation and lineage differentiation and speciation will be elucidated and the key genomic events will be uncovered. This project will elucidate the genomic basis for the ecological niche differentiation of Pseudoalteromonas at the genus level, and provide important insights into the diversity of marine copiotrophic bacteria and their diversified roles in the organic matter degradation and biogeochemical cycles.

海洋富营养细菌具有很高的遗传、生理和生态多样性，但是目前对于多样性形成的进化机制仍然不完全清楚。本项目拟以全球海洋广泛分布的典型富营养菌——假交替单胞菌（Pseudoalteromonas）为材料，研究属内各个种对动物来源的几丁质和褐藻来源的海藻酸的利用能力的异同，揭示该属生态位分化的分子和进化机制。首先，鉴定模式种P. flavipulchra参与几丁质降解和胞内代谢的关键基因，鉴定模式种P. agarivorans参与海藻酸降解和胞内代谢的关键基因；然后，在全属水平上测试各个种对几丁质和海藻酸的利用能力，结合全基因组注释，揭示该属生态位的分化及其分子基础；最后，结合系统发育分析，揭示在生态位分化过程中起关键作用的进化事件，阐明生态位分化与谱系分化和成种之间的关系。该项目成果将深化对海洋富营养细菌多样性形成机制的认识，为阐明富营养细菌在海洋有机质降解和生物地球化学循环中的作用奠定基础。

细菌具有很高的遗传、生理和生态多样性，但目前对于多样性形成的进化机制并不完全清楚。本项目以全球海洋广泛分布的典型富营养菌——假交替单胞菌为材料，研究属内各个种对动物来源的几丁质和褐藻来源的海藻酸的利用能力的异同，揭示该属生态位分化的分子和进化机制。首先，对全属26个种进行全基因组测序、拼接、注释，重构了该属的系统发育关系。据此系统发育关系，挑选了18个种，通过唯一碳源实验以及酶活测定，确定了对几丁质和海藻酸的利用能力，发现多数菌只能利用两种糖中的一种，并且利用能力与系统发育地位紧密相关，早期分支只能利用几丁质，晚期分支多数菌只能利用海藻酸。通过基因组、转录组分析等确定了各个种的几丁质和海藻酸利用基因（簇）以及完整代谢途径。综合多糖利用基因簇的多样性、菌的系统发育地位等，揭示了推动多糖利用能力分化的重要进化事件。然后，将研究对象拓展到了所有海洋细菌对多种多糖的利用能力，研究多糖利用能力分化在海洋细菌中是否是一种普遍的生态分化策略。本项目从文献中提取了参与9种多糖降解的10类多糖降解酶的基因序列961条，以此为参考，对公共数据库NCBI RefSeq中的所有海洋来源细菌的高质量基因组（2182个）进行了注释，发现大量类群能够编码多种多糖降解酶，并且多个类群内部的编码能力明显出现分化。特别是，发现动物源多糖的降解酶和藻类源多糖的降解酶的分布存在负相关，说明这些细菌类群已经或者正在分化为动物相关和藻类相关两种生活方式。此外，本项目围绕假交替单胞菌属和其他细菌类群的生态分化展开了探索研究，揭示了相关分化的基因组基础。本项目成果揭示了假交替单胞菌及其他海洋细菌对多糖利用能力的分化及其基因组基础，深化了对细菌生态位分化与谱系分化和成种之间关系的认识，为准确评估特定细菌类群在菌群中的作用以及在海洋有机质降解和生物地球化学循环中的作用奠定基础。

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