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自然资源部极地科学重点实验室极地微生物资源团队在极地微生物sRNA及其温度应答研究方面取得新进展

发布日期:2023-02-02 14:30:51

自然资源部极地科学重点实验室极地微生物资源团队在极地微生物sRNA及其温度应答研究方面取得新进展


     极地是研究生命适应极端环境及其变化的天然实验室。微生物作为极地生态系统中数量和种类最多、且最简单的生物类群,是研究生命在极端环境中如何生存、适应和进化的理想模型。繁衍在寒冷生物圈的微生物进化出了复杂的策略来适应低温,是真正的“生存专家”。然而,全球变暖已经成为生物圈特别是极地寒冷生物圈的威胁。因此,了解适冷微生物对温度上升的应答机制至关重要。


     以往人们主要通过研究蛋白编码基因揭示极地微生物对极端环境的适应机制,而对非编码基因在其中的作用认知极为有限,其中最大的挑战在于非编码基因的挖掘和功能研究。小RNA(small RNA, sRNA)是重要的非编码基因产物,曾被称为基因组中的“暗物质”,能快速、低能耗调控基因表达。虽然sRNA在细菌中广泛存在,但目前对其了解更多局限在E. coli等模式细菌及一些致病菌中。为了探究极地环境中的微生物是否进化出了新颖sRNA,以及sRNA在极地微生物应对温度变化中的作用,自然资源部极地科学重点实验室极地微生物资源研究团队以极地海洋优势属——假交替单胞菌为研究对象,揭示了sRNA组在温度应激中的重要变化,并从中发现新颖sRNA(命名为Pf1 sRNA),进一步解析了Pf1 sRNA在温度变化中的重要全局调控作用及在生存竞争中的积极贡献。

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图1. Pf1 sRNA在不同温度下的表达比较及其二级结构示意图



     以分离自北极楚科奇海的Pseudoalteromonas fuliginea BSW20308(极地微生物种质资源库PMCC200466)为对象,在不同培养温度下均检测到多种已知sRNA的表达,且多数随温度升高而表达量增加,其中tmRNA可以拯救因升温导致的核糖体停滞,6S RNA能调控RNA聚合酶提升压力耐受,表明sRNA组与温度响应存在重要相关性(Liao et al., 2019)。此外,发现一段未被注释的基因间隔区域,在高温下大量表达,进一步研究表明,该未知间隔区域编码了一种新的Csr sRNA,命名为Pf1 sRNA(图1)。

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图2. Pf1缺失改变了细菌多个生命过程相关基因的表达

     

     为了回答Pf1在温度响应中扮演什么角色,团队构建了Pf1敲除突变菌株,与野生菌株开展不同温度下的比较转录组、比较蛋白质组及实验验证,较为全面地揭示出Pf1在极地细菌中的重要全局调控作用(Wen et al., 2023)。Pf1的敲除影响了包括糖酵解、糖原合成、TCA循环、呼吸链、运动性、分泌系统等诸多生命过程(图2)。碘染结果证明Pf1的缺失在低温和高温下均降低了糖原合成能力(图3A);而以鞭毛为主的运动性在不同温度下体现出相反的结果(图3B),运动性对于细菌在寻找合适的生态位中发挥重要作用,使其能够及时“趋利避害”,不同温度下Pf1对运动性的相反调控机制仍有待进一步探究。在所有测试的培养条件下,Pf1的缺失均在不同程度上影响了菌株生长(图3C-F),表明Pf1 sRNA在细菌“适者生存”的角逐中扮演重要角色。

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图3. Pf1缺失对代表性生命过程和生长存在影响


   围绕该研究方向,团队近年在美国微生物学会(ASM)旗下著名期刊Environmental Microbiology(JCR一区,IF=5.491)、Microbiology Spectrum(JCR一区,IF=9.043)上发表研究论文两篇,拓展了极地微生物sRNA新颖性与重要性的认知。第一完成单位均为极地中心,通讯作者均为团队负责人廖丽副研究员,极地中心博士后文姣为Microbiology Spectrum研究论文的第一作者。该研究工作得到了国家自然基金面上项目(41976224)、上海市“超级博士后”等项目支持。


    该团队未来将继续以极地微生物sRNA为切入点,服务极地生物遗传资源多样性及其利用潜力、极地微生物对极地环境与全球气候变化的应答等重要科学问题研究。


相关论文:

Wen J, Liao L, Duan Z, Su S, Zhang J, Chen B (2023). Identification and regulatory roles of a new Csr small RNA from Arctic Pseudoalteromonas fuliginea BSW20308 in temperature responses. Microbiology Spectrum: e0409422. https://doi.org/10.1128/spectrum.04094-22


Liao L, Liu C, Zeng Y, Zhao B, Zhang J, Chen B (2019). Multipartite genomes and the sRNome in response to temperature stress of an Arctic Pseudoalteromonas fuliginea BSW20308. Environmental Microbiology 21: 272-285. https://doi.org/10.1111/1462-2920.14455



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