基于多组学研究高原异质盐境Halomonas属代表物种的分歧进化与共性适应机制

The extreme salt lakes on the Tibetan Plateau is a treasure trove of China’s precious microbial resources, where large numbers of halophilic microorganisms can be found in different salt environments. Halomonas, a main representative flora belonging to moderately halophilic bacteria, can be widely used in secondary metabolite biosynthesis, active enzyme development, bioplastic PHB fermentation and other fields. Currently, it has not been systematically elucidated among different Halomonas species regarding the regulation network of salt stress response, the divergent evolution, and the common adaptation mechanisms. In our previous studies, we have successfully isolated 77 strains of Halomonas from Qinghai Lake, Chaka Salt Lake, Keke Salt Lake, and Xiaochaidan Salt Lake, whose morphological structures, growth metabolisms, as well as physiological and biochemical characteristics are significantly different. In this study, we intend to analyse the divergent evolution and population-salt environment interaction mechanisms of these 77 Halomonas strains using molecular identification and phylogenetic analysis. Then we will select 5 representative Halomonas species with significant evolutionary differences from the 77 strains, and study their transcriptional regulation networks, differential protein expressions, and differences in metabolic pathways under salt stress using transcriptomics and proteomics methods. We will explore the divergent evolution and common regulation mechanisms in salt stress adaptation among different representative species, which will provide reference and theoretical support for the effective utilization of microbial resources in the Qinghai-Tibet region.

青藏高原极端盐湖是我国珍贵的微生物资源宝库，大量的嗜盐微生物栖息于不同的盐境之中。主要的代表种群盐单胞菌属(Halomonas)，隶属于中度嗜盐菌，可广泛应用于次生代谢产物生物合成、活性酶剂开发和生物塑料PHB发酵等领域。目前，针对不同盐单胞菌菌种的盐胁迫应答调控网络、适应性分歧进化和共性机制尚未系统阐明。本课题组前期研究从青海湖、茶卡盐湖、柯柯盐湖和小柴旦盐湖筛选获得了77株盐单胞菌，其形态结构、生长代谢和生理生化均存在明显差异。基于此，本课题以77株盐单胞菌为研究对象，通过分子鉴定和系统发育分析不同盐境盐单胞菌的种群分歧进化和种群-盐境的互作机制；通过甄选种群进化差异显著的代表种(5株)，利用转录组和蛋白组等多组学技术，研究代表种在盐激条件下的转录调控网络、蛋白表达和代谢通路调控差异，以此探究盐单胞菌种群的分歧进化和盐境适应的共性机制，为后续微生物资源的有效利用提供参考依据和理论支持。

嗜盐微生物代表种群盐单胞菌属(Halomonas)可广泛应用于次生代谢产物生物合成、活性酶剂开发和生物塑料PHB发酵等领域。目前，针对不同盐单胞菌菌种的盐胁迫应答调控网络、适应性分歧进化和共性机制尚未系统阐明。本课题从青藏高原极端盐湖中分离得到多株盐单胞菌，丰度与盐湖类型相关，主要为中度嗜盐菌。选取XH26、XH36和CH40作为盐单胞菌模式菌株，采用基因组学、转录组学和蛋白组学等手段探究其分歧进化和盐境适应机制。XH26属于Halomonas alkaliphila种，XH36和CH40均为盐单胞菌新种，分别命名为Halomonas qaidamensis和Halomonas chakariensis。四氢嘧啶产量较高的XH26和XH36菌株(> 200 mg/g CDW)能在无盐条件下生长，具有完整的四氢嘧啶及羟基四氢嘧啶合成和分解代谢通路相关基因，保钠排钾机制相关基因也广泛存在。XH26盐胁迫下四氢嘧啶的含量显著增加，高盐度下鞭毛组装和细胞运动受到显著抑制。四氢嘧啶合成基因ectB和ectC的转录增加可能在盐诱导的渗透适应中起关键作用。在极高盐度(18% NaCl)下，羟基四氢嘧啶和四氢嘧啶共同作用以维持细胞存活。XH36所有条件下均可以累积谷氨酸，但在盐胁迫下才会合成四氢嘧啶和甜菜碱，高盐条件下才会合成羟基四氢嘧啶，且不以谷氨酰胺和脯氨酸作为有效的相容溶质。其中，四氢嘧啶是盐胁迫下的主要相容性溶质。盐胁迫下，XH36会增加ectABC在转录和蛋白水平上的表达来提高四氢嘧啶合成，上调BetA和BetB的表达及胆碱的转运以增加甜菜碱的合成，上调putA的转录和翻译以及glsA的转录、并下调purF的转录和翻译以增加谷氨酸的生成。与此同时，盐胁迫下胞内K+输入明显增加，高盐度下Na+输出明显增加，但相关的离子转运基因的转录和蛋白表达无显著变化。四氢嘧啶产量极低的CH40菌株 (11.25 mg/g)，其基因组缺乏ectB，在无盐条件下无法存活。盐胁迫下甜菜碱合成相关基因转录水平显著下调，且钠离子和钾离子转运体的转录和蛋白表达也无明显变化。本课题的研究为后续微生物资源的有效利用提供参考依据和理论支持。

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