同源重组及其生境障碍在链霉菌进化中的作用

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探究微生物的种群结构及重组与生态对种群的作用对于理解微生物的进化和物种形成有重要意义。链霉菌是一类广泛分布于自然界的细菌,以产生丰富多样的活性代谢产物而著称;然而,从群体遗传学角度解析链霉菌进化的研究迄今仍寥寥无几。本文对来自多个生境的特定链霉菌种群以及整个链霉菌属进行了基于多位点序列分析(Multilocus Sequence Analysis,MLSA)的群体遗传学研究,探索影响链霉菌进化的重要作用力,并尝试解析链霉菌多样化过程中物种的形成与维持机制。  本研究主要内容包括:⑴使用多种选择性培养基和样品预处理方法对采集自全国12个省、自治区和直辖市的24份土壤样品进行了放线菌的选择性分离,并依据表型特征、16S rRNA基因和atpD片段对菌株进行了初步的分类鉴定和多样性评估:共获得放线菌622株,分布于放线菌门、放线菌纲内的8个目、13个科、21个属、183个种,其中,链霉菌501株(80.5%)、135个种,为土壤中的优势放线菌;分离到目的链霉菌18株,其中,微黄白链霉菌(Streptomyces albidoflavus)1株、橄榄色链霉菌(Streptomycesolivaceus)6株、草地链霉菌(Streptomyces pratensis)11株,为后续链霉菌群体遗传学分析补充了菌株资源;获得9个在地理上广泛或局限分布的链霉菌种群,可用于后续研究;获得17个可能的链霉菌新物种,包含23个分离株。⑵利用群体遗传学和系统发育学方法研究了来自多种生境的41株微黄白链霉菌(S.albidoflavus)和35株橄榄色链霉菌(S.olivaceus)的种群结构,强调了同源重组和生态因素在物种进化中的重要作用,推测基因交流的生境障碍在生态分布广泛的物种中普遍存在:标准结合系数(ISA)显示,两个种群具有近似随机自由交配型(panmictic)群体结构,且多种证据表明同源重组在其中普遍存在,包括Φw测验、单基因系统发生不一致、Shimodaira-Hasegawa测验和系统发育网络图分析;系统发生和Structure分析均检测到种群中较强的生境信号;FST测验显示,土壤、海洋和昆虫三种生境来源的菌株间存在显著的遗传分歧,揭示了微黄白链霉菌和橄榄色链霉菌中基因交流的生境障碍。⑶利用群体遗传学方法分析了链霉菌属内迄今已生效发表且有16S rRNA、atpD、gyrB、recA、rpoB和trpB基因序列的142个物种的模式菌,首次从属的规模评估了链霉菌物种之间的基因交流水平,揭示了链霉菌属内的网状进化,为该属内的系统发生和进化分析提供了理性指导:同源重组在链霉菌不同物种之间普遍存在,其发生的频率和重要性分别约为点突变的3倍和14倍(ρ/θw=3.10,r/m=13.74);频繁的重组为链霉菌的进化带来多种影响,包括促进谱系进化、扰乱系统发生和引起基因片段在物种之间大量横向转移等;检测到7个获得表型和生理生化数据支持的链霉菌进化谱系群,有助于鉴定相关菌株的真实分类地位,甚至追溯整个链霉菌属的起源。⑷对微黄白链霉菌(S.albidoflavus)和橄榄色链霉菌(S.olivaceus)两个种群进行了菌株的培养特征观察、生理生化测验和分子指纹图谱聚类等一系列分析,探索不同生境菌株在表型和遗传型上的差异。结果显示,不同生境菌株的遗传分歧并未体现在培养特征中,但导致了一些菌株的生理生化特性和分子指纹图谱的差异。具体表现在:土壤中能降解几丁质的微黄白链霉菌比例显著低于海洋和昆虫生境;昆虫生境的一簇微黄白链霉菌获得了纤维素降解能力;微黄白链霉菌的多数昆虫菌以及两个种群的部分海洋菌的BOX-PCR图谱具有生境特异性;在微黄白链霉菌中,编码胞外多向自动调节信号蛋白C因子的facC基因在土壤菌中的存在比例显著低于其它生境菌株,acC可能是参与微黄白链霉菌适应环境的基因之一。
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