海洋耐盐粘细菌对海陆两栖生活方式的进化适应分子机制及其意义.pdf

2 0 0 8 年中国微生物学会学术年会 海洋耐盐粘细菌对海陆两栖生活方式的进化适应， 分子机制，及其意义 李越中 山东大学微生物技术国家重点实验室济南2 5 0 1 0 0 粘细菌( M y x o b a c t e r i a ) 是一类具有复杂多细胞行为特性的革兰氏阴性细菌，再系统分 类上属于多变细菌的6 分支粘细菌在细胞生长、摄食、运动和分化发育等方面，尤其是子 实体( f r u i t i n gb o d y ) 形态发生中表现显著的社会特性( s o c i a l i t y ) ，被认为是生活于多细胞 生命边缘的单细胞生物类群以黄色粘球菌M y x o c o c c u sx a n t h u sD K l 6 2 2 为模式材料开展的 粘细菌多细胞行为研究主要在两个方面——细胞的运动和子实体的形态发生粘细菌细胞的 运动方式是适应于固体介质表面的滑动运动( g l i d i n gm o t i l i t y ) ，而子实体是粘细菌细胞在固 体介质表面分化发育形成的抗逆结构多细胞行为特性明显地指示粘细菌是适应于陆地生活 的细菌类群，并通常仅在土壤或其他陆地环境中发现。

以模式菌株D K l 6 2 2 为材料进行的人 工进化实验也表明，液体中连续培养的细胞相比于原始出发细胞，所有的社会性行为均显著 降低或丢失然而，近年报道在海洋环境中发现存在耐盐或嗜盐生活的粘细菌由于海洋环 境不能满足粘细菌多细胞生活方式的要求，分析并阐明海洋粘细菌的生活模式对于我们认识 粘细菌的多细胞行为，及其多样性和进化有重要意义 1 、海洋粘细菌的生活模式 到目前为止，所有可培养的海洋粘细菌仅在近海边被分离发现海洋嗜盐粘细菌通常不 能形成典型的子实体结构，生长对细胞密度有依赖性，适应的盐浓度范围较宽，但不能在无 N a C l 的条件下生长另一方面，海洋耐盐粘细菌在非海水条件下表现与陆地粘细菌相似的 复杂多细胞行为，如细胞能够形成典型的子实体结构，并在子实体结构内发育生成粘孢子， 孢子的萌发对高密度细胞有依赖性等但在海水条件下，耐盐生长的粘细菌却表现特殊的简 单细胞行为特性，如细胞仍可以滑动运动，但不形成子实体，并可以在不依赖于子实体生成 的条件下发育形成粘孢子，粘孢子萌发对细胞密度的依赖性极大地降低等因此，海洋耐盐 粘细菌菌株适应于近海环境的易于变更的特点，进化形成了在海洋和陆地两种生境中具备不 同的生活和分化发育模式的特性。

一种是简单的“海洋”模式，可以直接从营养细胞分化形成 粘孢子抗逆，细胞生长适应于海水环境而降低密度依赖性；一种是复杂的“陆地”模式，细胞 抗逆通过发育形成多细胞的子实体结构和其中的粘孢子，细胞的生长依赖于高细胞密度海 洋耐盐粘细菌可以在海水和非海水的不同环境中迁徙生活，并在不同环境中变换生活模式， 表现复杂的海陆两栖生活模式根据系统发生分析和细胞的生活方式，我们认为，嗜盐粘细 菌可能是海洋的土著类群，而耐盐粘细菌则是陆地粘细菌适应海洋环境的海陆“两栖”类群 我们对耐盐粘细菌适应海洋生境的机制进行了研究 2 、运动适应 粘细菌复杂的多细胞生活方式是通过其独特的双运动系统．细胞群体的社会运动( s o c i a l m o t i l i t y ，S 一运动) 和细胞个体的探险运动( a d v e n t u r em o t i l i t y ，A ．运动) 协调实现的A ．运 动和S 一运动同时存在并协同作用时粘细菌细胞才能表现完整的社会性行为对不同程度耐 盐的粘球菌分析表明，在海水存在的条件下，细胞的A ．运动和S ．运动能力都保持，并且S ． 运动能力增强粘细菌细胞的S ．运动是通过Ⅵ- 型p i l i 的伸缩及其对细胞表面物质组成 ( e x t r a c e l l u l a rm a t r i x ，E C M ) 的识别和附着而实现。

我们对一株耐盐粘球菌H W - 1 的插入突 变株的鉴定结果表明，该菌株不能耐盐生长，而S ．运动能力也几乎丢失发生突变的m 黯 2 6 2 0 0 8 年中国微生物学会学术年会 与真核生物细胞表面的Ⅲ型T h r o m b o s p o n d i n 基因在序列和功能上有较高相似性但敲除陆 地粘球菌D K l 6 2 2 的m t s 同源基凶M X A N l 3 3 4 对细胞S 一运动的影响很小结果说明，耐盐 粘细菌可能通过增加细胞的S 一运动能力，从而增加细胞问的协同作用而适应海水环境生活 进一步，我们制备了模式菌D K l 6 2 2 中已经报道的6 0 个运动相关基因的芯片，对H W - 1 菌 株在海水和非海水条件下的运动相关基因的表达进行了分析这些基因在D K l 6 2 2 和H W - 1 中大部分有较高的同源性芯片杂交的分析显示，在海水条件下明显上调的基因大部分是参 与细胞表面的S ．运动相关基因，这些基因在细胞运动中起粘附和细胞间识别的作用结果 初步证明，加强细胞间相互联系和协作是耐盐粘细菌对海洋环境适应的一个重要方面 3 、发育适应 形态多样的子实体结构是粘细菌标志性的特征。

子实体是粘细菌的休眠器官，包括不具 有繁殖活性的分化细胞形成的子实体结构外壳和包裹其中的具有繁殖能力的粘孢子子实体 的主要生态功能是在陆地环境中为起始一个新的生命周期时维持高细胞密度，满足粘细菌细 胞密度依赖性生长特性的要求由于几乎所有从陆地环境分离的粘细菌都不能耐受高盐浓度 生长，因此多水和高盐的海洋生境对于粘细菌的多细胞生活方式而言是一个逆境耐盐粘细 菌需要变换细胞的生长、形态发生和发育行为而在海水条件下生活为了研究其分子机制， 我们根据已经发表的模式菌株D K l 6 2 2 的全基因组序列信息制备了包含2 2 6 个双组分系统和 7 4 个外膜蛋白基因的探针芯片对在海水条件和非海水条件下生长的耐盐粘细菌Mf u ／v u s H W - 1 的基因表达水平分析的结果显示，有3 5 个双组分系统基因和2 0 个外膜蛋白基因的表 达表现差异选择部分海水可调基因进行R T - P C R 验证了上述结果在海水可调的基因中仅 有7 个基因表达上调( 6 个双组分基因和1 个外膜蛋白) ，而其他4 8 个基因下调证明耐盐 粘细菌在海洋中的生活总体上是被抑制的，与其简单的海洋生活模式一致序列分析显示， 这些海水可调的基因在D K l 6 2 2 和H W - 1 细胞中具有高度的一致性，说明这些基因在两个菌 株中具有相似的功能。

分析D K l 6 2 2 中已经报道的7 个双组分系统基因的功能显示，粘细菌 在适应海洋环境中的生活时，可能在子实体形成能力被抑制情况下增强粘孢子的形成能力 而a W - 1 中m t s 的插入突变和D K l 6 2 2 中M X A N l 3 3 4 的敲除，尽管对运动影响差异较大，但 均导致突变株子实体和粘孢子形成能力显著地下降为了进一步证明我们的结论，我们选择 在海水条件下显著表达上调的双组分基因T c l 0 5 和显著下调的外膜蛋白基因0 m 0 3 1 ，对其 在陆地粘细菌D K l 6 2 2 中的同源基因M X A N 3 1 0 6 和M X A N 4 0 4 2 进行了敲除M X A N 3 1 0 6 和 M X A N 4 0 4 2 突变均未导致细胞运动能力的改变但M X A N 4 0 4 2 突变株展现出比野生菌株 D K l 6 2 2 更强的子实体和粘孢子的发育能力，同时突变株的耐盐生长能力也有少量提高，表 现的性状与耐盐粘球菌H W - 1 相似而M X A N 3 1 0 6 突变株则显示相反的变化结果证明， 增强在海水条件下的发育能力，尤其是粘孢子的形成能力是粘细菌耐盐适应海洋环境的一个 重要机制。

在基因表达水平上调控可能是耐盐粘细菌灵活转换不同生境中生活方式的主要形 式，而粘细菌中存在的大量双组分系统似乎是陆地生活所需 4 、海洋环境中的粘细菌 不同的陆地粘细菌类群在子实体形态上展现由简单到复杂的等级我们根据陆地生境中 分子生态研究结果，提出f r u i t i n g 和n o n ．f r u i t i n g 粘细菌大类群的新概念N o n ．f r u i t i n g 粘细 菌不但包括子实体形成能力缺陷的自然突变株，还包括大量在系统进化上完全独立的新类 群土壤R N A 的分析结果证明，这些大量未培养的n o n ．f r u i t i n g 粘细菌在生境中同时处于活 跃的代谢生活状态的传统的f r u i t i n g 粘细菌的概念不能解释土壤中大量未培养粘细菌的生 活方式而海洋嗜盐和耐盐粘细菌在海洋生境中的生活方式，与陆地粘细菌和耐盐粘细菌在 陆地生境中生活方式的最显著的表型也是不能发育形成典型的子实体结构 为了深入理解粘细菌的多细胞子实体形态的进化发生，我们对五个有代表性的深海泥层 中的粘细菌存在进行了分析( 四个8 0 0 —4 5 0 0 米的深海样品和一个2 0 0 米的海底火山口样品， 2 0 0 8 年中国微生物学会学术年会 样品来自日本深海科学与技术研究会，J A M S T E C ) 。

尽管尚未能获得可培养粘细菌，但对未 培养粘细菌的分析显示，海洋和陆地粘细菌具有显著的地域性种群分布特征不同深海环境， 包括海底火山口的粘细菌在系统进化上具有高度的一致性，但与所有陆地发现的粘细菌( 包 括培养和未培养陆地粘细菌) 处于完全不同的进化分支近海发现的可培养海洋嗜盐粘细菌 在进化上均分布在粘细菌的小囊菌亚目( N a n n o c y s t i n e a e ) 中，并与陆生、但子实体形态简 单的小囊菌表现一定的同源性由此我们认为，海洋粘细菌和陆地粘细菌在生活空间分离后 各自独立进化，并在近海形成过渡类群陆地上的n o n ．f r u i t i n g 粘细菌中的部分种群进化产 生了子实体发育能力，从而形成了f r u i t i n g 粘细菌海洋深处的粘细菌未知，但根据可培养 的近海嗜盐和耐盐粘细菌的性质可以推测，他们不能发育形成子实体，但细胞应仍具有群体 性特征，从而形成密切协作的生活方式 5 、粘细菌多细胞行为适应进化的意义 粘细菌不但具有复杂的多细胞行为特性，是原核生物细胞间通讯( i n t e r c e l l u l a r c o m m u n i c a t i o n ) 、多细胞形态发生( m u l t i c e l l u l a rm o r p h o g e n e s i s ) 和生物进化研究的重要模 式生物；而且粘细菌具有丰富的新颖多样的次级代谢产物，具有重要的应用研究价值。

然而， 作为微生物学研究重要内容的粘细菌细胞群体行为现象，同时也是粘细菌广泛开展研究和应 用的主要限制因素我们对海洋耐盐粘细菌海陆两栖生活方式的研究，展现出粘细菌多细胞 行为的“可塑性”我们对其它极端生境的研究结果也显示，粘细菌的多细胞行为在适应逆 境环境时，会发生不同的改变粘细菌细胞社会性行为的“可塑性”有助于我们解决粘细菌 研究和应用的限制，理解粘细菌多细胞群体行为的进化，正确认识粘细菌的生态分布及生态 功能 个人简介： 李越中，1 9 8 7 年本科毕业于山东大学微生物系，1 9 9 3 年博士毕业于山东大学微生物所， 获得微生物学博士学位，1 9 9 5 年从中科院沈阳应用生态所微生物工程博士后流动站出站后， 回到山东大学微生物技术国家重点实验室工作．1 9 9 6 年在德国国家生物技术研究中心做访 问学者．现任山东大学教授，微生物技术国家重点实验室副主任，生命科学学院副院长．兼 任中国微生物学会基础委员会委员，中国遗传学会微生物遗传专业委员会副主任委员，《微 生物学报》编委等职．2 0 0 4 年入选教育部新世纪人才资助计划，2 0 0 6 年获得山东省科教发 。