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1、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。.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、大气的化学组成。7.微生物基因组所记录
2、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。0.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)1.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 H=9 嗜盐菌alt=0.2M嗜热菌 80 超嗜热菌 T80 嗜冷菌T=
3、5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(nteratdcean Driing Proga)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。EI(TheDar Energy Biper Istitue）Th Deep DarkiospherNEGY TRANFRAND CHEMOSYNTHETI CARBFIXATIN AT DEEPSEA VNTSee Unerground ScieneandEginering Laoratory14全球环境变化是地球科学的一大主题。重大地质
4、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。.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。1.火成岩gneus rok：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edmetar: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、
5、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。0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。1.活化石Lvig Fossil:出现于地史时期而至今犹存的生物。Horssoe a，Latimeria矛尾鱼，Ggo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、F-S矿)、复制需求和成膜需求。Thermcocc
6、le是热液区优势古菌,位于进化树的根部。Thrmococal core gnom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：140个基因；通过可培养微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96个。24yroous 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30米以下深部生物圈
7、。大约100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。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。GeBank是一个有13亿碱基,来自于10,000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：ORF(pe ading rame)O (cluster ootholoousgoups)Mtaboli pahway3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
8、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C2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。.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
9、靶基因簇一起构成了细菌的复杂调控机制。.【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.【严谨反应(sngent ronse)】：细菌在氨基酸饥饿时发生rDN,tRN基因及核糖体蛋白基因停止转录反应。机制:A饥饿-出现空载tNA(氨酰tA不足）-刺激细胞瞬间大量合成鸟苷四磷酸(ppG）或鸟苷五磷酸(p）-(p)pp 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
10、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rRN 和tRNA、RN聚合酶各亚基、核酸合成、磷脂合成和A 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)pGpp在细胞内稳定存在的浓度很低,可应激迅速大量产生。对基因表达的调控：直接抑制激活 或 通过sima因子调控。调控相关基因：elA， B， C, X,spoT,gpp,ndk,rpoCD。rA：pGp合成酶;soT：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、V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
11、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TP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，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.【p】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。.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Therococcus属的菌株能够利用甲酸盐氧化来
12、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。1.代谢类型: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13m;海底最深：马里亚纳海沟1104m。2.陆上平均厚度0,海洋平均厚度00。浅海10。由近及远:沿海、浅海、远洋;由浅入深：有光层、无光层、深渊。3生物圈（bioshere):地球上所有生物及其所生活的非生命环境的总称。地球上存在生物有机体的圈层。包括大气圈的下层、岩石圈的上层、整个水圈和土壤圈全部。生
13、态系统(ecosytms）：生物群落和它们所生活的非生物环境结合起来的一个整体,是生物圈的组成单元。个体组成群体,不同生态系统组成生物圈。群落+非生物环境生态系统4.土壤是微生物的主要栖居地。深部生物圈包括陆地和海底表层下的深层沉积物和岩石。是原核生物的世界。洋中脊（约万公里）是观察地球深部的窗口。估计海洋深部生物圈中原核生物存储的碳元素占全球碳元素总量的一半以上。第5章1.现有纯培养原核微生物46种，不到所有微生物的万分之一。2微生物的培养状态：纯培养、未培养、可培养、难培养、休眠细胞、非活细胞。.微生物调查基本方法：显微计数、纯化培养、生理指标（如代谢速率)计量分析、生物标记物（如16rD
14、NA）分析。环境微生物学研究最常用荧光显微镜。4.分子水平上的“种”判定标准基因组N-DN杂交:相似性 70%。低于5%肯定不是。16SrRN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。.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。N-DNA杂交相关性:DNADNA退火速率取决于环境分离DNA片段大小和复杂度。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
