1、极端环境微生物的期末总复习极端环境微生物-期末复习资料绪论+011.环境微生物学研究的主要内容：微生物分布地点多样性和生命活动的热力学可能性。2.从微生物与环境协同演化可解释不同环境微生物的生态学功能和代谢机制。3.微生物推动生物地球化学过程的核心问题是：能量需求和物质循环。4.生命需满足的条件：代谢需求，复制与进化需求。支撑生命系统的关键条件：营养源、能源。高效率极端生命系统的前提：极端环境、基因组重复。5.微生物特点：个体小、结构简、食谱广、繁殖快、易培养、数量大、分布广、种类多、级界宽、易变异、抗性强、休眠长、起源早、发现晚。6.元素的生物地球化学循环，维持土壤、沉积物、水体、大气的化学
2、组成。7.微生物基因组所记录的信息反应了某一时期的选择压和资源丰富程度，这和我们地球的环境之间有很大的联系。8.进化的压力可以从微生物基因组记录的分子、代谢、生理特点看出。9.环境微生物研究依赖于多学科交叉，实验室与现场研究并重。10.环境微生物研究方法：采样-样品生化活性分析-根据菌种特性进行纯培养-物理、化学、生物等宏观方面分析（生长、能量利用、代谢机制、酶活性）-遗传层面分析（突变、重组）-分子生物学分析（测序、解析分子机制）11.环境微生物学研究受研究方法的制约，新的方法和技术体系的发明不断的拓展研究的广度和深度。12.极端微生物的定义：嗜酸菌 PH=9 嗜盐菌 salt=0.2M嗜热
3、菌 6080 超嗜热菌 T=80 嗜冷菌 T=15岩下生长菌、耐金属菌、抗辐射菌、耐毒菌、耐旱菌13.重要极端微生物研究计划IODP(Integrated Ocean Drilling Program )综合大洋钻探计划查明深海海底的深部生物圈和天然气水合物，理解极端气候和快速气候变化的过程，了解构造板块移动，揭示地震机理。DEBI(The Dark Energy Biosphere Institute)The Deep Dark BiosphereENERGY TRANSFER AND CHEMOSYNTHETIC CARBON FIXATION AT DEEP-SEA VENTSDeep
4、Underground Science and Engineering Laboratory 14.全球环境变化是地球科学的一大主题。重大地质环境的突变因而是地球演化的关键：极端气候事件、成氧事件、缺氧事件、生物大灭绝。15.土壤：经过生物风化作用的改造而富含腐殖质的残积物。16.有了生命的作用，海洋系统从太古代的无氧转变成到显生宙的有氧状态。环境突变：碳循环异常、动物大灭绝、微生物泛滥、海洋水化学。17.在地质时期，微生物通过碳循环、硫循环等作用于地质环境。18.火成岩igneous rock：地球深处的岩浆侵入地壳内或喷出地表后冷凝而形成的岩石。可用放射性同位素分析。水成岩Sediment
5、ary：又叫沉积岩，由成层沉积的松散沉积物固结而成的岩石。19.早期地球环境与生命过程研究的难点：需要能结合化石与基因组的活细胞证据。现有手段：微化石、生物标记物、元素标记、分子钟。前三者都稀少且不完全可靠。分子钟则受很多因素的影响。20.位于进化树根部的现代微生物记录了早期生命过程。去除基因横向转移与基因组重复的影响，我们就能获得“早期”基因组-活化石。21.活化石Living Fossils：出现于地史时期而至今犹存的生物。Horseshoe crab，Latimeria矛尾鱼，Ginkgos银杏树。成为早期活化石需要具备的条件：生存环境长期未发生较大变化、代谢能反映早期的环境、要有特殊的
6、基因（如重复基因）保证其度过一些重大的地质环境巨变期。22.现代热液生态系统被认为与早期地球环境相似，且满足生命起源所需的代谢需求（氢气、甲烷、Fe-S矿）、复制需求和成膜需求。Thermococcales是热液区优势古菌，位于进化树的根部。Thermococcales core genome大小为988基因。23.早期生命的基因组大小范围的研究方法筛选超嗜热古菌-基因组测序-比较基因组分析-核心代谢网络模拟-基因组删除与点突变分析(构建人工基因池)+类元祖基因组和补丁基因组分析(构建数据化基因池)-确定早期异样生命基因组大小范围。已知能生存的天然微生物最小基因组：1400个基因；通过可培养微
7、生物全基因组点突变证实不可缺少的400个;基于古菌基因组序列分析996个。24.Pyrococcus yayanosii CH1是目前世界上唯一一株获得纯培养超极端专性嗜热嗜压古菌，其最适温压指示其来源于海底约300米以下深部生物圈。大约1000个基因, 已证实其能依赖少数氨基酸存活第3章1.微生物的生理、生态多样性的基础是其代谢途径的多样性。生理多样性，来自 代谢、复制、遗传多样性。2.微生物基因组中蕴藏了包括其进化历史和生理功能的丰富信息。GenBank是一个有13亿碱基，来自于100,000多种生物的核苷酸序列的数据库。每条纪录都有编码区（CDS）特征的注释，还包括氨基酸的翻译。基因注释
8、：ORF (Open reading Frame)COG (clusters of orthologous groups)Metabolic pathway3.生物圈的营养流是生态系统中微生物区系和生理状态的选择因子。碳基生命存在的两个基本生理要素：能量来源和碳源。目前为止人们推测可能存在着多种形式的生命：以蛋白质或别的有机体形式存在的碳基、硫基、氨基等有实体生物。以能量形式（如等离子体）存在的生命。人造的，只与外界交换能量和信息，不进行新陈代谢的以硅或别的无机体或化合物（不排除有机物，如生物电脑、光脑）为基础的生物。以电磁波形式存在的生命。以信息形式存在的生命。营养类型：光能自/异养，化能无
9、机自/异养，化能有机异养。能量来源：光能/化能碳源来源：是否固定CO2微生物在天然生态环境不能一直维持快速增长。不同的营养条件决定微生物的生活方式：富营养、寡营养。4.环境胁迫应激机制细菌能感应外界环境各种不同信号,调控菌体内相关基因表达,以适应不断变化的环境。信号传导系统与其控制的靶基因簇一起构成了细菌的复杂调控机制。5.【双组分信号传导系统】广泛存在于各种原核生物中,其基本结构为一个组氨酸蛋白激酶和一个反应调节蛋白：膜上的传感激酶在环境信号的作用下自磷酸化-磷酸基团随后转移给了应答调节蛋白-磷酸化的应答调节蛋白起阻遏蛋白的作用-磷酸酶再生应答调节蛋白。实质：蛋白的磷酸化和去磷酸化。6.【严
10、谨反应(stringent response)】：细菌在氨基酸饥饿时发生rDNA,tRNA基因及核糖体蛋白基因停止转录反应。机制：AA饥饿-出现空载tRNA（氨酰tRNA不足）-刺激细胞瞬间大量合成鸟苷四磷酸(ppGpp)或鸟苷五磷酸(pppGpp)-（p）ppGpp 通过作用于RNA 聚合酶,在转录水平上正调控编码氨基酸生物合成、糖原合成和碳水化合物代谢相关基因,负调控编码核糖体rRNA 和tRNA、RNA聚合酶各亚基、核酸合成、磷脂合成和DNA 复制相关基因。特点：可受其调控的基因广泛、调控在转录和翻译两个层次进行。(p)ppGpp在细胞内稳定存在的浓度很低，可应激迅速大量产生。对基因表达
11、的调控：直接抑制/激活 或 通过sigma因子调控。调控相关基因：relA, B, C, X，spoT，gpp,ndk,rpoBCD。relA:ppGpp合成酶;spoT:ppGpp合成/降解双功能酶.即使在高度特化的环境中微生物也需要严谨反应。植物受病源侵染、UV照射、干旱、高盐 等胁迫时，可检测到ppGpp。7.热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用（包括能量传递和转换）的学科。基于热动力学能级预测可能发生的生物地化反应生物氧化与电子传递。产生ATP的途径：底物水平磷酸化、氧化磷酸化。光合作用带动了生态系统中的能量流动和物质循环
12、，同时将我们的星球置于一个氧化态和还原态共存的失衡状态。8.【pE】是氧化还原平衡体系电子浓度的负对数，pE越小，电子浓度越高，体系提供电子的倾向就越强。生物氧化：在生物体内，从代谢物脱下的氢及电子通过一系列酶促反应与氧化合成水并释放能量的过程。9.并非所有热动力学可行的电子传递过程都找到了对应的微生物。超嗜热古细菌Thermococcus属的菌株能够利用甲酸盐氧化来生长，这是最简单的厌氧呼吸产能方式之一。甲酸氢裂酶复合体=甲酸脱氢酶+氢酶10.富含碳的生物圈中存在八个关联的生物地化过程:有氧呼吸、反硝化作用、锰还原过程、铁还原过程、酵解过程、硫酸盐还原、产甲烷过程、产乙酸过程。11.代谢类型
13、：分解、合成12.厌氧食物链的法则：互养共栖。第4章1.最高的树：红杉113m；海底最深：马里亚纳海沟11034m。2.陆上平均厚度30m,海洋平均厚度3800m。浅海70%。低于25%肯定不是。16S rRNA基因序列：相似性 97% 全基因组序列比较多个看家基因序列相似性微生物“种”的定义:即物种，有一定形态特征和生理特性以及一定自然分布区的生物类群，交配后可产生可育后代。5.微生物多样性评价指标：丰度：有多少种不同的微生物。平均度：不同种微生物的相对丰度。调查方法：稀释度曲线：衡量某种微生物出现频率与取样量的关系。DNA-DNA杂交相关性：DNADNA 退火速率取决于环境分离DNA片段大
14、小和复杂度。退火速率与群落多样性反相关。参量预测：如丰度、平均度。非参量预测：既衡量总多样性也评估预测的准确性。适宜于低丰度物种评估。进化树分析：基于16S rRNA序列相似性的系统发育树。6.【组份矢量树】从物种所有的蛋白质序列中数出各种固定长度的短肽数目, 通过统计学处理得到相应物种之间的距离矩阵, 进而生成亲缘树.特点：不限定于特定基因作为分子标记而是利用全基因组信息。7.生命系统的分类早期三域系统：植物，动物，原生生物两域：真核、原核五域：细菌、真菌、原生生物、动物、植物基于核糖体16SrRNA的三域：真核、细菌、古菌。8.rRNA作为分子钟的优点：普遍存在、功能恒定、适度变异、大小合
15、度、分析容易。9.嗜热菌Aquifex产液菌属生活在火山和热泉，65-85度，化能无机营养型，可固定二氧化碳。最古老的细菌，基因组中16%源于古菌。Thermotoga栖热袍菌生长于低盐火山岩或海洋高温环境及陆地油田，生长温度80度以上。细胞外有“袍”（菌鞘）。严格厌氧异养细菌，有机物作为碳源和电子供体，硫代硫酸盐和元素硫为电子受体。Pyrolobus fumarii延胡索酸火叶菌生活在 90 -113，严格化能自养菌，利用CO2作为碳源、通过氢气氧化提供能量。兼性好氧，硝酸盐、硫代硫酸盐和低浓度为电子受体，生成NH4+, H2S和 H2O。10.光合作用细菌3个主要类群：紫细菌（厌氧不产氧气
16、APB）、绿细菌（好氧不产氧气AAPB）、蓝细菌（产氧气，用水做电子供体）。紫细菌和绿细菌利用其它还原性分子（硫化氢、氢气、硫或其它有机物）作为电子供体生成还原力NADH和NADPH。紫硫细菌胞内有硫，绿硫细菌胞外积硫。11.变形菌门（Protobacteria）革兰氏阴性，占已有效发表细菌属的40%。紫色硫细菌常为光能无机自养菌，利用光能固定CO2。严格厌氧，利用硫化氢或氢气作为电子供体。将硫化氢氧化为硫，存储于胞内。紫色非硫细菌有光：非产氧光合作用，光能有机异养型进行厌氧生长，利用有机物作为电子供体和碳源。无光：化能有机异养型进行好氧生长，氧气可以抑制细菌叶绿素和类胡萝卜素合成，菌体无色。
17、12.古菌分类：广古生菌门euryarchaeota、泉古生菌门crenarchaeota、古生古生菌门korachaeota、纳米古生菌门nanoarchaeota。泉古菌专性嗜热菌，生长温度范围70113.嗜酸、生长需要硫，分布于含硫的地热水或土壤中。有机营养型或无机营养型。主要有热变形菌属和硫化叶菌属。广古菌革兰氏阳性或阴性，甲烷杆菌中多含有假肽聚糖。产甲烷古菌、极端嗜盐古菌、无细胞壁古菌、极端嗜热硫代谢菌、硫酸盐还原古菌。13.【微生物猎手】古菌中大量未培养种属的系统发育分类地位只能暂定。16S rRNA基因锚定、MCG类群、MBGD类群。基因水平：16S rRNA序列细胞水平：荧光原
18、位杂交探测生理水平：代谢特点14.五类微生物：病毒、原核生物、真菌、藻类、原生生物。15.病毒对生物地化循环的影响打破生态平衡：病毒裂解能破坏特定（优势）种群，从而改变生物地化循环方式。加快物质循环：提供细胞形态有机物转化为颗粒（POM）和溶解（DOM）有机物的支路（短路）病毒裂解将浮游生物转变为POM和DOM，而直接被深海沉积物中的异养微生物利用，释放CO2重新进入大气。从食物链中的生物碳提前释放，降低了碳沉积。16.微生物基因组大小范围 0.5-10.5Mb。实验证实仅有482个基因的支原体基因组中382个为必须基因。水平基因转移：生物从进化关系较远的其它生物中获得遗传物质的现象。17.原
19、核生物的“有性”繁殖Transformation转化：in prokaryotes the cellular uptake of DNA from the environment.Conjugation结合：intercellular plasmid transfer.transfer of genes from one prokaryotic cell to another by a mechanism involving cell-to-cell contactTransduction转导：virus-mediated genetic exchange.18.细胞大小、性状、比表面积决定了
20、细胞内外物质流动速率，反应了选择压力和进化历史。06 环境微生物学研究方法1.认知论： who what when where how why.你是谁，你来自哪里，你活着是为了什么？2.难点：生态系统的开放性和复杂性.3.困惑：实验室条件下的研究结果总是不能与真实环境中的情况完全一致，技术方法的革新永无止境。如何看待片面的、肤浅的结果？4.环境微生物研究中富集培养为主要的思想方法和手段。Enrichment culturing 富集培养：通过设定特殊的营养条件和培养条件，提高目的种群的丰度，获得纯培养或特定功能类群。5.系统不可能完全对应于整个生态系统，所以使用特定的模式菌株。6.采样流程采集
21、capture：尽可能维持样品原有的状态，将干扰降至最低；固定fix：迅速、终止微生物的所有变化；保存store：维持固定时的条件，防止其变化；分析analyze。7.现场理化指标分析温度、氧气、PH、无机物、有机物丰度8.环境微生物研究的复杂性：多学科研究数据如何整合？现场地化参数与微生物纯培养结果如何相互印？9.生物标志物鉴定环境基因组分析生物学领域核酸 nucleic acid、磷脂脂肪酸 phospholipidfatty acids (PLFAs)、胞壁酸 Muramic acid、几丁质 Chitin、叶绿素 Chlorophyll。有机地球化学领域地质体中与已知的天然产物有广泛联
22、系的有机化合物。古生物学烷烃、无环类异戊二烯烃、萜烷、甾烷、类胡萝卜素等。10.磷脂脂肪酸PLFAs-活细胞膜的成分存在于活体微生物细胞膜上的磷脂脂肪酸的组成和含量水平具有种属的特异性，且周转迅速，对环境因素的变化敏感。不同微生物群落结构的样品具有独特的PLFAs谱图，因而PLFAs 可以作为生物多样性的指示性标记，用作土壤中微生物群落结构指纹分析。分析步骤：提取、纯化、移除脂肪酸侧链、GC（气象色谱）/MS（质谱）分析。脂肪酸链的特征参数：类型、长度、双键位置和立体构型11. 磷酸类脂位于细菌、放线菌的细胞膜上的极性类脂。不同属的菌其磷酸类脂组成是不同的，它们是鉴别属的化学分类指标之一。12
23、.环境DNA(eDNA)取样-纯化得核酸-PCR/RT-PCR-在大肠杆菌中表达-分析其特性、发展史、微生物活性。13.SDS-PAGE:不同16SrRNA基因扩增产物在变性梯度凝胶中被分开，每一条带对应一种微生物。14.原位生物地化参数测量-CO2, N2O, CH4等气体收集、分析。GeoChip：是一种高通量基因芯片，用于分析微生物群落，并研究其群落结构对生态系统的作用。包括了编码参与主要地球化学循环（如，碳循环、氮循环、金属抗性、有机物降解、硫循环和磷循环等）的微生物酶类的寡聚核苷酸探针。Functional Gene Arrays (FGA) ：测量微生物的C,S,N,P循环。15.
24、宏基因组（又称 元基因组、微生物环境基因组）：生境中全部微小生物遗传物质的总和。它包含了可培养的和未可培养的微生物的基因, 目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和。宏基因组学：就是一种以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象, 以功能基因筛选和测序分析为研究手段, 以微生物多样性、 种群结构、 进化关系、 功能活性、 相互协作关系及与环境之间的关系为研究目的的新的微生物研究方法。一般包括从环境样品中提取基因组DNA, 进行高通量测序分析，或克隆DNA到合适的载体,导入宿主菌体,筛选目的转化子等工作。从环境DNA文库可获得大的DNA片段，研究功能基因簇。16.科赫法则在每一病例中都出现相同
25、的微生物，且在健康者体内不存在；要从寄主分离出这样的微生物并在培养基中得到纯培养（pure culture）；用这种微生物的纯培养接种健康而敏感的寄主，同样的疾病会重复发生；从试验发病的寄主中能再度分离培养出这种微生物来。07 微生物参与的地球化学循环1.构成生命的元素主要元素：C H O N P S Na K Ca Mg微量元素：Fe Mn Zn Cu Co Se很多酶的关键活性部位存在有铁-硫簇.2.微生物对抗重金属元素的脱毒机制离子转运、氧化还原、甲基化。希瓦氏菌将可溶的六价的铀还原为不溶的四价铀。有氧水体中砷主要为五价，无氧水体中砷主要为三价。五氧化二砷溶解性大于三氧化二砷（砒霜）。三
26、氧化二砷（俗称砒霜）治疗早幼粒白血病（APL）的分子机制，揭示了癌蛋白PML-RAR 是砷剂治疗APL的直接药物靶点。3.血红蛋白（Fe）-血蓝蛋白（Cu）同族的金属元素可以替换。主要的六种元素是否可以被同族元素替换？高浓度As条件下，核酸中的P被As替换！4.地球各圈层间物质交换过程水循环、地质风化侵蚀和地壳运动、光合作用和呼吸作用5.陆地生态系统中碳/氮库主要分为大气、植被、土壤三部分。估算上述三部分间的碳/氮库的类型和流动方式是生物地化循环的关键问题。6.温室气体指的是大气中能吸收地面反射的太阳辐射,并重新发射辐射的一些气体。如水蒸气、二氧化碳、大部分制冷剂等。它们的作用是使地球表面变得
27、更暖,类似于温室截留太阳辐射,并加热温室内空气的作用。这种温室气体使地球变得更温暖的影响称为“温室效应”。水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、氧化亚氮 (N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)是地球大气中主要的温室气体。7.元素的价态决定了在氧化还原反应中的去向。元素被氧化或被还原构成完整的生物地化循环，但分别存在于时空分割的不同代谢途径中。8.硫化氢为最还原状态，单质硫、氨基酸中为中间价态，硫酸盐为最氧化状态。大气中的硫主要来源于海洋表面的化合物二甲基硫(简称DMS)。二甲基硫易挥发，一旦进入大气，DMS成为气候变化的一个重要角色，因为它对云和气溶胶的形成有很大的贡献。在海洋中的硫循环对气候
28、有重要的影响。9.固氮作用：经典固氮微生物根瘤菌，固氮酶对氧敏感。氨化作用：有机氮在微生物作用下转化成氨态氮的过程称为氨化作用。8H+ + 8e + N2 2NH3 + H2,耗能16 to 24 ATP.硝化作用：氨在有氧下经硝化细菌氧化生成硝酸盐的过程。反硝化作用：硝酸盐还原成氮气。硝酸盐还原菌。厌氧 铵氧化/甲烷氧化10.碳排放权交易成温室效应控制手段。嗜热菌1.中温，最适生长温度Topt 20-45C高温，最适生长温度Topt 45-80C超高温，最适生长温度Topt80C2.热环境热泉、间歇泉、热液喷口、油藏区、工业热液、堆肥、黄石公园。3.海底热液喷口一般位于洋中脊轴部或附近。4.
29、热液喷口的分类硫化物烟囱体：Black smoker碳酸盐烟囱体：Lost City 5.热液生态系统的特点化能合成菌为群落提供最初的能量和食物，热液群落中的其他动物都是依靠这些微生物合成的有机物作为其食物来源。与深海其他生境相比，深海热液生物群落物种具有多样性低、种群密度和生物量高、生长速度快、种群具有区域性等特点。6.深海热液口研究的重要性生物学，地质学，地球化学，地球物理学以及进化学等多门学科研究的热点。不仅是多种矿产的天然摇床，同时又是研究极端生物的窗口，蕴含丰富的生物资源此外，热液与生命起源的环境相似，提出生命起源于热液的新进化起源假说研究热液系统不仅具有现实意义更能有助于解释一些基础性的科学问题。7.X-Omics：基因组、转录组、蛋白组等多种组学分析相结合，构建代谢网络图，理解极端微生物的遗传调控机制。Systems biology：从静态代谢网络图出发，结合代谢组学分析，建立大规模代谢网
