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罗布泊嗜(耐)盐放线菌的物种多样性、抗生素合成基因以及盐胁迫响应机理初探

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摘要

第一章 文献综述

1.1 嗜盐放线菌概述

1.2 嗜(耐)盐放线菌概述

1.2.1 嗜(耐)盐放线菌定义

1.2.2 嗜盐放线菌的生理学研究

1.2.3 嗜盐放线菌的应用价值

1.3 嗜(耐)盐放线菌物种多样性的研究

1.3.1 嗜(耐)盐放线菌生物多样性的研究方法

1.3.2 嗜(耐)盐放线菌的多相分类研究进展

1.3.3 嗜(耐)盐放线菌生物多样性的研究现状

1.4 嗜(耐)盐放线菌生物活性多样性

1.4.1 嗜(耐)盐放线菌生物活性研究现状

1.4.2 嗜(耐)盐放线菌生物活性物质研究现状

1.5 嗜(耐)盐放线菌抗生素功能基因研究概况

1.6 嗜(耐)盐放线菌嗜盐机制的研究现状

1.7 新疆罗布泊嗜(耐)盐放线菌资源概况

1.7.1 罗布泊地区简介

1.7.2 罗布泊地区嗜盐放线菌研究现状

1.8 研究目的和研究意义

1.9 技术路线

第二章 罗布泊及其周边盐碱土可培养嗜(耐)盐放线菌物种多样性分析

2.1 实验材料

2.1.1 供试土样

2.1.2 分离培养基

2.1.3 主要实验仪器及试剂

2.2 实验方法

2.2.1 菌株的分离与纯化

2.2.2 16S rRNA基因PCR扩增和系统进化分析

2.2.3 放线菌NaCl耐受范围测定

2.3 结果与分析

2.3.1 罗布泊可培养嗜(耐)盐放线菌物种多样性

2.3.2 罗布泊周边盐碱土嗜(耐)盐放线菌物种多样性

2.3.3 罗布泊与周边盐碱土嗜(耐)盐放线菌物种多样性的比较

2.4 讨论

第三章 潜在新物种的多相分类研究

3.1 实验材料

3.1.1 供试菌株

3.1.2 主要实验仪器及试剂

3.2 实验方法

3.2.1 放线菌基因组DNA的提取

3.2.2 放线菌16S rDNA基因的PCR扩增

3.2.3 生理生化特征

3.2.4 形态特征描述

3.2.5 细胞化学组分分析

3.2.6 系统发育分析

3.3 结果与分析

3.3.1 糖多孢菌属(Saccharopolyspora)新物种TRM 45123多相分类鉴定

3.3.2 糖霉菌属(Glycomyces)新物种TRM 45387、TRM 45198和TRM 45127多相分类

3.3.3 盐多孢菌属(Halopolyspora)新物种TRM 45668和TRM 45658多相分类

3.4 讨论

第四章 罗布泊及周边盐碱土嗜(耐)盐放线菌抗生素合成基因多样性分析

4.1 实验材料

4.1.1 供试菌株

4.1.2 主要实验仪器及试剂

4.2 实验方法

4.2.1 基因组DNA的提取

4.2.2 抗生素基因的PCR扩增

4.2.3 PCR产物回收

4.2.4 放线菌中抗生素合成基因的克隆

4.3 结果与分析

4.3.1 罗布泊及其周边盐碱环境土壤嗜(耐)盐放线菌抗生素合成基因分布

4.3.2 罗布泊及其周边盐碱环境嗜(耐)盐放线菌抗生素合成基因多样性

4.4 讨论

第五章 罗布泊及其周边盐碱土嗜(耐)盐放线菌活性菌株的筛选及评价

5.1 实验材料

5.1.1 供试菌株

5.1.2 培养基

5.1.3 抗菌筛选指示菌

5.1.4 主要实验仪器及试剂

5.2 实验方法

5.2.1 抗菌活性菌株初筛

5.2.2 抗菌活性菌株复筛

5.3 结果与分析

5.3.1 抗菌活性菌株初筛

5.3.2 抗菌活性菌株的复筛

5.4 讨论

第六章 6株活性放线菌次级代谢产物的分离与鉴定

6.1 实验材料

6.1.1 菌株信息

6.1.2 培养基

6.1.3 主要实验仪器及试剂

6.2 实验方法

6.2.1 接种及发酵

6.2.2 发酵产物初步分离

6.2.3 发酵产物的柱层析分离

6.2.4 发酵液提取物中化合物的进一步分离纯化

6.2.5 各菌株次级代谢产物分离流程图

6.2.6 单体化合物的结构鉴定

6.3 结果与分析

6.3.1 次级代谢产物的分离

6.3.2 化合物结构鉴定

6.4 讨论

第七章 嗜盐放线菌TRM 45611嗜盐机制的研究

7.1 实验材料

7.1.1 实验菌株

7.1.2 主要实验仪器

7.2 实验方法

7.1.1 菌株TRM 45611培养及样品的制备

7.1.2 菌株TRM 45611转录组测序及分析

7.3 结果与分析

7.3.1 菌株TRM 45611生长曲线及耐盐性测定结果

7.3.2 菌株TRM 45611转录组测序概况

7.4 讨论

总结与展望

本研究工作总结

展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

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摘要

罗布泊及周边极端高盐碱环境蕴藏着丰富多样的嗜(耐)盐放线菌资源,是挖掘放线菌物种多样性、生物活性多样性、次级代谢产物多样性和嗜(耐)盐机制的宝藏。本论文采用可培养法对罗布泊及其周边23份高盐碱土壤样品进行了放线菌物种的分离、收集、保存和16S rDNA聚类分析,获得了262株嗜(耐)盐放线菌,其中有13株潜在新种;分离并鉴定了6个放线菌新物种;对获得全部菌株进行了耐盐特性、抗菌活性以及PKSⅠ、PKSⅡ、NRPS和APH等抗生素生物合成基因簇的筛选研究;从6株放线菌发酵液中分离鉴定了13个单体化合物;同时采用转录组比较分析法对一株极端嗜盐放线菌的盐胁迫响应机理进行了初步探索。具体研究结果包括:
  1.罗布泊及其周边盐碱土嗜(耐)盐放线菌多样性研究
  从23份土样中共分离获得了262株嗜(耐)盐放线菌,5株为耐盐放线菌,257株为嗜盐放线菌,发现放线菌潜在新种13个,可能代表新的分类单元。通过16SrDNA聚类分析,将所获放线菌归属于4亚目5科8属,分别为放线多孢菌属(Actinopolyspora)、糖霉菌属(Glycomyces)、拟诺卡氏菌属(Nocardiopsis)、糖单孢菌属(Saccharomonospora)、糖多孢菌属(Saccharopolyspora)、链单孢菌属(Streptomonospora)、链霉菌属(Streptomyces)和拟无枝菌酸菌属(Amycolatopsis)。其中,拟诺卡氏菌属(Nocardiopsis)是罗布泊盐湖的主要类群,占该区域分离获得菌株的37.04%,放线多孢菌属(Actinopolyspora)是罗布泊周边盐碱土的主要类群,占该区域分离获得菌株的25.20%。
  2.放线菌新物种的多相分类
  采用多相分类方法鉴定了6株放线菌新物种。其中,放线菌TRM45123为糖多孢菌属新物种,命名为耐盐糖多孢菌(Saccharopolyspora halotolerans);放线菌TRM45387、TRM45198和TRM45127为糖霉菌属新物种,分别命名为塔里木糖霉菌(Glycomyces tarimensis)、新疆糖霉菌(Glycomyces xinjiangensis)和罗布泊糖霉菌(Glycomyces lopnorensis);放线菌TRM45668和TRM45658为嗜盐多孢菌属新物种,分别命名为塔里木嗜盐多孢菌(Halopolyspora tarimensis)和罗布泊嗜盐多孢菌(Halopolyspora lopnorensis)。
  3.抗生素合成基因和抗菌活性筛查
  262株放线菌PKSⅠ、PKSⅡ、NRPS和APH基因的筛查结果表明,阳性率分别为46.94%、25.57%、22.90%、21.76%。四种功能基因在不同种属之间的分布存在一定差异,PKSⅠ、PKSⅡ基因在各个属都有分布,PKSⅡ基因较PKSⅠ基因分布明显要少,而且绝大多数含有PKSⅠ基因的菌株不含有PKSⅡ基因;NRPS基因主要分布在Actinopolyspora和Streptomyces;APH基因分布于Glycomyces和Nocardiopsis。262株放线菌的生物活性检测得出,有75株放线菌至少对一种病原菌具有拮抗作用,阳性率为28.6%。这些菌株分布于Streptomyces、Nocardiopsis、Actinopolyspora、Saccharopolyspora、Glycomyces、Streptomonospora和Saccharomonospora,阳性率分别为14.5%、8.4%、7.3%、1.1%、1.1%、0.8%和0.4%;活性菌株以Streptomyces最多,而这些活性菌株大部分均含有一种或一种以上的抗生素生物合成基因。
  4.放线菌次级代谢产物的分离纯化与结构鉴定
  采用现代色谱分离技术和核磁共振(NMR)等波谱鉴定技术,从6株放线菌活性菌株发酵液中分离鉴定了13个化合物,分别鉴定为3,4-二氢-6,8-二羟基-3-甲基异香豆素(45037-1)、2-甲基-1,4-苯二醇(45037-2)、邻苯二甲酸(2-乙基己基)二酯(45037-3)、1,6-二羟基吩嗪(45037-4)、16α-甲基-11β,17α,21-三羟基-9α-氟孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮21-醋酸酯(45306-1)、谷甾醇-3-O-葡萄糖苷(45306-2/45556-3)、Nb-乙酰色胺(45306-3/45380-1)、N-丙酰色胺(45306-4)、4',7-二羟基异黄酮(45556-1)、4',5,7-三羟基异黄酮(45556-2/45214-1)、大豆皂醇B(45214-2)、1-庚基-2-甲基-3-羟基咔唑(45040-1)和8-庚基-4,5,6-三羟基酞酸(45040-2)。这些化合物均首次从这些菌株的次级代谢产物中分离获得。
  5.一株嗜盐放线菌的盐胁迫响应机理初探
  菌株TRM45611在8%(最低盐浓度生长)、17%(最适生长盐浓度)和25%NaCl(最高盐浓度生长)浓度下转录组比较分析结果表明:以8%NaCl组为对照组,17%NaCl组和25%NaCl组与对照组相比,从生物过程分类中显示菌株在盐胁迫过程中有细胞代谢、生物调节和次级代谢产物等过程参与;在细胞组分分类中显示菌株的盐胁迫与细胞器,还有大分子化合物,如蛋白质、核酸、糖类或脂类的运输代谢等密切相关,同时,这些代谢过程在菌株耐盐中起着重要作用;在分子功能分类中显示菌株的盐胁迫响应机制中,结构分子活性、酶催化活性和分子转运活性也密切相关。不同盐浓度条件下的差异表达基因的比较发现,以8%NaCl组为对照组时,17%NaCl组表达量上调的基因有78个,表达量下调的有155个;25%NaCl组表达量上调的基因有383个,表达量下调的有302个。
  综上所述,本论文在分离并鉴定嗜(耐)盐放线菌的基础上,初步揭示了新疆罗布泊地区嗜(耐)盐放线菌的物种多样性和主要类群;评价了抗生素功能基因多样性、抗菌活性和耐盐特性;在抗生素生物合成基因和生物活性双重评价基础上分离鉴定了部分菌株的次生代产物;同时在转录组水平上探讨了一株极端嗜盐菌的盐胁迫响应机制。以上研究结果对新疆嗜耐盐放线菌资源的保护利用提供了重要参考。

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