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产甲烷菌属于第三生命域----古菌域，是目前已知唯一代谢产生大量甲烷的生物。它们只能利用简单的碳水化合物为能源和碳源，包括H2/CO2、甲酸盐、甲基类化合物以及乙酸盐。产甲烷菌广泛分布于无氧的自然环境中，在地球的碳素循环中发挥重要作用，是复杂有机物降解产甲烷过程的末端功能类群。甲烷具有很强的红外吸收和臭氧层的破坏能力，是第二大温室效应气体。全球的甲烷中70％来源于生物代谢。甲烷同时又是可再生能源，通过有机废物降解转化产生的甲烷可用于发电和新能源汽车等。因此，认识和利用产甲烷菌的功能对环境治理和能源开发具有重要意义。本研究分为四个部分： 第一部分工作以实验室一直研究的菌株—竹节状甲烷鬃菌6Ac为研究对象，分析其两种细胞形态的转录组，并结合实验分析二者生理功能的差异。RNA-seq和RT-PCR实验发现甲烷代谢及能量代谢途径的基因均在长丝细胞中上调表达1.2-10.3倍;而甲基碳氧化分支的基因在短杆细胞中上调表达显著，推测短杆细胞产生更多用于合成细胞碳的还原当量。之后通过稳定同位素示踪实验检测甲基碳氧化分支在两种形态细胞中的活性，结果发现，短杆细胞中约3.6％的乙酸甲基碳被氧化为CO2，96.4％产生甲烷;而长丝细胞中只有0.5％的乙酸甲基碳流向CO2，99.5％产生甲烷。揭示了乙酸在长丝细胞中更多流向甲烷，而在短杆细胞中更多流向细胞碳合成的遗传背景。转录组数据分析显示触酶基因在长丝细胞中上调表达，生理实验也证明长丝细胞的触酶活性和抗氧能力显著高于短杆细胞。而短杆细胞中抗胁迫基因上调表达，暗示短杆细胞是甲烷鬃菌受胁迫的生理状态。本研究结合基因表达水平和生理学分析证明，竹节状甲烷鬃菌的长丝细胞形态是其生理状态的细胞形态。 第二部分工作是建立产甲烷菌的遗传转化系统。首先尝试构建课题组研究的竹节状甲烷鬃菌6Ac和嗜冷甲烷叶菌R15的遗传转化系统。对二株菌形成菌落的条件进行了大量的摸索，最终确定菌落形成条件为:菌株6Ac在pH6.3的固体培养基上于37℃培养15天左右，可形成直径达1mm的菌落。菌株R15则以甲醇培养物接种三甲胺为底物的固体培养基上，18℃培养7天再转移至30℃培养2周后可获得单菌落。确定了二者均以嘌呤霉素抗性基因为筛选标记，嘌呤霉素对菌株6Ac和菌株R15的最小抑菌浓度分别为5μg/mL和0.5μg/mL。但目前两株菌的转化系统尚未构建成功。可能的原因是它们在目前的培养条件下生长太慢，尽管转化的菌株在抗性选择压力下甲烷产量明显高于未转化菌株，但阳性转化子存活率低，导致没有成功筛选到阳性转化子。沼泽甲烷球菌是目前具有成熟遗传转化系统的产甲烷菌，我们尝试在沼泽甲烷球菌S0001中研究菌株R15的RNA伴侣蛋白—TRAM的功能。菌株S0001基因组中只有一个TRAM同源基因(MMP0076)。通过转化线性的同源重组载体，我们成功构建了菌株S0001的MMP0076的失活菌株—S0001-⊿0076。突变株S0001-⊿0076在最适生长温度37℃和22℃下均较野生型菌株的生长速率明显下降，表明TRAM同源基因具有重要的生理功能。 第三部分工作是研究从青海玛多湿地土壤中分离到一株耐冷的产甲烷菌新种—菌株X-18。与甲烷螺菌属中已描述的种比较，菌株X-18只利用H2/CO2(4∶1，v/v)产甲烷，不能利用甲酸盐。生长温度范围为4-32℃，最适生长温度为25℃。16S rRNA基因序列与其他甲烷螺菌的最高同源性为96.3％。因此将X-18命名为新种耐冷甲烷螺菌（Methanospirillum psychrodurum）。为了了解甲烷螺菌X-18耐低温的遗传基础，我们测定了其基因组序列。与Methanospirillum hungatei JF-1的基因组比较，菌株X-18基因组中缺少代谢甲酸盐酶复合体的一个亚基基因，可能是不能代谢甲酸盐产甲烷的原因。菌株X-18基因组中没有编码5→3RNA降解复合体(exosome)的基因，推测其可能采取另一种5→3RNA降解模式。虽然菌株X-18为耐冷菌，但其基因组中没有发现冷响应相关的基因，例如冷激蛋白。但存在大量编码抗氧胁迫基因及信号转导基因，推测是对低温下高溶氧量的响应。另外，基因组中存在26个糖基转移酶基因，以及14个参与细胞壁表面糖基化修饰的糖基转移酶基因，还存在完整的不饱和脂类合成途径的基因，推测可能与菌株X-18耐冷相关。 第四部分工作是关于耐冷甲烷螺菌X-18与无胆甾原体菌株共培养关系的分析。在菌株X-18基因组序列中我们发现了无胆甾原体菌株几乎完整的基因组数据。在排除了实验环境及试剂的污染后，我们对二者的生长关系进行了初步的研究。通过在共培养物种分别加入溴乙烷磺酸钠抑制产甲烷菌生长，和加入红霉素抑制无胆甾原体生长，根据Giemsa和DAPI染色结果及菌株X-18产甲烷能力来分析培养物的生长情况。初步结果认为甲烷螺菌X-18的生长不依赖无胆甾原体菌株;而无胆甾原体的生长依赖甲烷螺菌X-18生长。推测无胆甾原体可能利用甲烷螺菌X-18合成的核酸类物质，或其他必须物质生长。二者的生长关系需要更深入的研究。