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碱性湖泊是自然形成的较为稳定的碱性水环境,是嗜碱菌多样性较高的水生生态系统。高原碱性湖泊是一个重要的极端微生物生态环境。程海碱性湖泊是云南省9大高原湖泊之一,湖面海拔为1500米,pH值9.0-9.3。
本研究用纯培养法(cultivation method)和免培养法(culture-independent method)对程海高原湖泊细菌生物多样性进行了较系统的研究和分析,发现了一些潜在的细菌新类群,并比较分析了纯培养和免培养两种方法所得细菌类群的多样性,以及程海湖泊与印度Lonar苏打湖、加利福利亚Mono湖以及中国Qinghai湖的细菌多样性。
应用纯培养方法分离到了细菌域的5个系统发育类群(Actinobacteria、Deinococcus-Thermus、Firmicutes、Proteobacteria和Bacteroidetes)中的的25个科(Microbacteriaceae、Cellulomonadaceae、Dietziaceae、Micrococcaceae、Corynebacteriaceae、Jonesizceae、Bacillaceae、Planococcaceae、Cytophagaceae、Moraxellaceae、Pseudomonadaceae、Aeromonadaceae、Rhizobiaceae,Deinococcaceae、Flavobacteriaceae、Xanthomonadaceae、Erythrobacteraceae,Enterobacteriaceae、Shewanellaceae、Rhodocyclaceae、Carnobacteriaceae,Rhodobacteriaceae、Pasteurellaceae、Caulobacteraceae及Acetobacteraceae)36个属(Agrococcus、Microbacterium、Cellulomonas、Dietzia、Arthrobacter、Citricoccus、Kocuria、Micrococcus、Nesterenkonia、Corynebacterium、Jonesia、Bacillus、Exiguobacter ium、Marinibacillus、Oceanobacillus、Planococcus、Chryseomicrobium、Fontibacter、Litor ibacter、Acinetabacter、Pseudomonas、Aeromonas、Rhizobium、Deinococcus、Flavobacterium、Luteimonas、Porphyrobacter、Pectobacterium、Shewanella、Thauera、Trichococcus、Paracoccus、Catellibacterium、Haemophilus、Brevundimonas和Roseococcus)。优势类群为Actinobacteria、Firmicutes和Proteobacteria三大类群。纯培养物中与Actinobacter ia和Proteobacteria类群16SrRNA基因序列相似性交化范围分别是97.8%-100%和97.7%-100%;与Firmicutes类群16S rRNA基因序列相似性变化范围在95.1%-100%之间,其中YIM CH128与Oceanobacillus iheyensis菌株的相似性为98.1%,由于Oceanobacillus种类较少,所以YIM CH128可作为一个潜在的新类群做进一步的系统发育分析;与Bacteroidetes类群16S rRNA基因序列相似性在91.4%-99.9%之间,其中菌株YIMCH208与其系统发育关系最近的Echinicola属的有效发表菌株之间的16S rRNA基因序列相似性为91.4%(小于95%),并且在系统进化树中以较高的自展值(bootstrap value,93%)支持形成一个独立的分支,代表Cytophagaceae科的一个新属。YIM CH093 Flavobacterium glaciei16S rRNA基因序列相似性为97.1%,可能为Flavobacterium潜在的一个新类群。属于Deinococcus-Thermus类群两株纯培养物,其16S rRNA基因序列与Deinococcus-Thermus类群相似分别为99.7%和99.9%。
DGGE分析结果显示蒲米样点的细菌类群与程海其余7个样点的差异性较大,故构建两个细菌克隆文库,蒲米样点克隆文库中的细菌类群属于细菌域的7个系统发育类群(Proteobacteria、Actinobacteria、Spirochaetes、Firmicutes、Bacteroidetes、Planctomycetes和Uncultured bacteria),其中优势类群为Proteobacteria(25.4%)、Firmicutes(35.5%)和Bacteroidetes(21.0%)。克隆子序列中与Proteobacteria和Actinobacter ia类群16S rRNA基因序列相似性变化范围分别为94%-99%和95%-98%;而与Firmicutes和Bacteroidetes类群的16S rRNA基因序列相似性变化范围分别为90%-99%和91%-99%;属于Spirochaetes和Planctomycetes类群的序列与这两个类群的16S rRNA基因序列相似性变化范围分别为98%-99%和93%-99%;由克隆子序列与各类群的16S rRNA基因序列相似性知,克隆子序列中存在较多未培养的类群。克隆子序列ICHA105,单独聚为一个分枝,这个分枝在Bacteroidetes和Planctomycetes之间,认为这个序列代表的细菌类群处于门一级分类地位的新类群。其余7个样点克隆文库中的细菌类群属于细菌域的6个系统发育类群(Proteobacteria、Actinobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes、Planctomycetes和Uncultured bacteria),其中优势类群为Proteobacteria(25.1%)、Firmicutes(45.1%)和Bacteroidetes(16.8%)。克隆子序列与Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes三大类群的16S rRNA基因序列相似性变化范围都在为92%-99%之间;与Actinobacteria和Planctomycetes类群的16S rRNA基因序列相似性变化范围分别为90%-99%和94%-98%。各类群16SrRNA基因序列变化范围可知这些克隆子序列中存在较多的未培养新类群。克隆子ICHB140和克隆子ICHB162分别聚为一个分支,认为这两个序列处于Alpha-proteobacteria纲内较高分类地位的潜在新类群;ICHB97虽然与Bacteroidetes门聚在一支上,但距离较远,可以认为是一个潜在的未分类的类群。
纯培养方法分离到了免培养分析方法所未能分离的Deinococcus-Thermus类群,而免培养分析方法分离到了纯培养方法未能分离到的Planctomycetes和Spirochaetes两大类群。说明纯培养和免培养方法的相互补充能更全面揭示程海湖中细菌生物的物种丰富度、种群分布情况及其规律。
针对程海碱性湖泊分离到的潜在的新类群,以YIM CH208T为例描述如何对一个潜在的新类群进行多相分类。基于16S rRNA基因序列的系统发育分析、表型特征、生理生化特征和化学组分分析结果及其与Cytophagaceae科其他属的差异性表明菌株YIM CH208T代表了Cyclobacteriaceae科的一个新属,命名为Litoribacter ruber。
综上研究表明:程海碱性湖泊存在着丰富的细菌多样性以及存在大量未培养的细菌类群,这些研究结果将为进一步研究程海高原碱性湖泊的细菌多样性奠定基础,也为进一步研究嗜碱微生物的起源、进化及适应碱性环境的机制等提供重要的信息和为嗜碱微生物的资源开发奠定基础。