固氮树木丛枝菌根真菌(AMF)遗传多样性的研究

丛枝菌根是自然生态系统中分布最广的内生菌根，在促进植物生存与生长、植被恢复以及生物多样性保护等方面有着非常重要的作用。 随着现代分子生物学技术的不断发展，丛枝菌根真菌研究得到空前发展。大量DNA分析新技术在丛枝菌根真菌的分子遗传、分类鉴定、种间及种内亲缘关系、菌株持久性等方面得到应用，与传统菌根研究方法相比，表现出巨大的优越性。 本项研究利用分子生物学技术和研究方法对中国吉林长白山地区非豆科固氮植物以及东北地区固氮树木的丛枝菌根真菌DNA分子多态性及其与宿主植物之间的相互关系等进行初步研究，旨在利用分子生态学理论和研究方法揭示丛枝菌根真菌多样性及其与宿主植物之间相互适应和协同进化的一般规律，为更好地保护和利用这一重要的微生物资源提供理论依据。 通过比较与筛选，建立起丛枝菌根真菌痕量DNA快速、简便、高效的提取纯化方法——改良CTAB法。经PCR检测，所得DNA满足进一步研究的要求。 根据丛枝菌根真菌18s rRNA 小亚基核基因片段的特点，利用“科”特异性引物进行半巢式标记PCR (Labelled Primers-PCR，LP-PCR) 及单链构象多态性（Single-Stranded Conformation Polymorphism，SSCP）分析技术研究了长白山赤杨在属水平上表现出的多样性。另外，利用巢式PCR-RFLP技术，分别对来源于长白山不同海拔的四种赤杨菌根样品的AMF侵染情况及其系统进化进行了研究。利用AMF特异性PCR技术对我国东北地区四种非豆科树木和5种豆科树木菌根侵染情况和系统发育规律进行了研究 研究结果显示：赤杨根内AMF存在丰富的基因多样性。AMF的侵染有从宿主混乱性向宿主专一性发展的趋势。 长白山地区赤杨属植物至少有东北赤杨、西伯利亚赤杨和色赤杨三个树种在其“属”的水平上与共生的球囊霉科（Glomaceae）至少一个“种” 的丛枝菌根真菌，即根内球囊霉（Glomus intraradix），在“种”的水平上表现出不相关于宿主海拔高度的某种相互选择性。 东北赤杨AMF菌的宿主专一性水平最强，球囊霉属已成为东北赤杨的优势侵染类群；对于其余三种赤杨，AMF则出现宿主混乱现象。宿主因素比海拔因素对AMF侵染特异性的影响更为重要。 豆科与非豆科样本的混乱性都比较强，在特定植物和AMF属之间无特异侵染规律，相对来说，非豆科树木比豆科树木对于AMF的选择性要更强一些，更倾向于和球囊霉属与无梗孢囊霉属的AMF构建共生体。

硫化叶菌病毒STFV、STSV1及其与宿主关系研究

硫化叶菌病毒表现出了极为独特、多样的形态学和基因组学特征，它们为研究硫化叶菌提供了很好的模型，同时也为构建可在硫化叶菌中进行分子操作的分子工具提供了有用的材料。 本研究从西藏热泉中分离出一株嗜酸热菌S3-3，S3-3的16S rDNA序列和腾冲硫化叶菌同源性最高，为96％，而和其它硫化叶菌同源性相对较低。基于16S rDNA序列进行的系统发育学分析同样证实了，S3-3和腾冲硫化叶菌亲缘关系最近，推测S3-3是硫化叶菌属的一新种。 从S3-3a中分离出一株硫化叶菌病毒，命名为西藏硫化叶菌丝状病毒（Sulfolobus Tibet Filamentous Virus, STFV）。STFV呈丝状，外面有一层脂膜包裹，病毒长约1.4 μm，病毒直径约20 nm，两端各有一约60 nm长的小尾巴。病毒的复制抑制宿主细胞生长，但并不引起宿主细胞的裂解。STFV的DNA为线性双链DNA，推测其DNA末端含共价闭合的发夹结构。已经完成了除病毒末端以外的基因组序列的测定，共测得序列29 568 bp。病毒基因组DNA的GC含量为32.70％，编码49个阅读框，其中包括四个解旋酶基因，四个糖基转移酶基因，一个核苷酸转移酶基因和一个磷酸转移酶基因。其中35个阅读框在已知硫化叶菌病毒中有同源基因。病毒含有两个主要的结构蛋白，分别由ORF162 和 ORF219所编码，这两个结构蛋白在Betalipothrixvirus中非常保守。基因组比对发现，STFV和Betalipothrixvirus的同源性很高。所有的证据表明，STFV为一新的病毒，属于硫化叶菌病毒Lipothrixviridae病毒科，Betalipothrixvirus病毒属。 腾冲硫化叶菌纺锤型病毒STSV1由向小宇博士分离。该病毒编码一个整合酶基因。但通过Southern杂交分析，未检测到病毒基因组整合至宿主基因组中。STSV1病毒颗粒的蛋白由5个阅读框所编码，而其主要的结构蛋白由ORF40编码。

UASB反应器处理维生素C生产废水研究

维生素C生产废水有机物浓度高、成分复杂、排放量大，是一种亟待处理的典型工业废水。本研究分别采用实验室规模和中试规模的升流式厌氧颗粒污泥床反应器（UASB）对该制药工业废水的厌氧生物处理工艺进行了较为深入的研究。同时采用两种不依赖于纯培养的分子生物学手段—变性梯度凝胶电泳（DGGE）和扩增核糖体DNA限制性分析（ARDRA）技术揭示了UASB反应器不同运行阶段污泥中微生物群落多样性组成及变化。此外，首次研究了零价铁（Fe0）在厌氧消化过程中对反应器运行及微生物群落结构的影响。 采用城市污水处理厂厌氧消化池絮状污泥和处理啤酒废水的颗粒污泥混合接种，小试中温（35±1℃）UASB反应器在其运行的第65天启动成功。反应器稳定运行阶段，在进水COD浓度为9000mg/L、水力停留时间为12h、容积负荷为13.6 kgCOD/m3.d条件下，其COD去除率稳定在85~90%之间，沼气产率达到4.5 m3/m3.d，沼气甲烷含量平均为72%。中试UASB反应器的接种污泥为厌氧消化污泥，其启动时间相对较长，为90天。在稳定运行期，反应器的进水COD浓度为8000~10000mg/L，水力停留时间和容积负荷分别保持在12~16h和10.6~14.2 kgCOD/m3.d范围，该阶段反应器的平均COD去除率稳定在85%左右，沼气产率平均为5.2m3/m3.d，沼气中甲烷含量为69%。上述结果表明中温UASB工艺用于维生素C生产废水处理是高效、可行的。 与对照反应器相比，添加Fe0的小试UASB反应器的COD去除率和沼气产量分别提高了6.5%和10.2%。同时，磷酸盐平均去除率为79%，比对照提高了64%，目前尚未见类似研究报道。在中试规模的UASB反应器中补充一定量的Fe0可缩短反应器启动时间，促进颗粒污泥的形成，该结果可能具有重要的应用价值。培养试验进一步表明，Fe0可以作为产甲烷菌还原CO2生成甲烷的电子供体。培养实验还表明，当系统中存在硝酸盐（0.40 mM）和硫酸盐（0.26 mM）时，Fe0促产甲烷过程受到一定程度的抑制。 采用细菌通用引物968F/1401R和341F/907R获得的PCR-DGGE指纹图谱均表明UASB反应器不同运行阶段细菌种群结构变化明显。小试和中试稳定期污泥的微生物多样性均高于各自初始接种污泥。产甲烷菌通用引物340F/519R的PCR-DGGE结果显示，虽然接种污泥中产甲烷菌的丰富度系数略低于稳定期，但总体而言，反应器运行期间产甲烷菌的种群组成相对稳定。 通过构建不同处理和不同运行阶段污泥样品的16S rRNA基因文库并对克隆基因进行限制性内切酶消化、测序分析。结果表明，稳定期两个反应器微生物群落结构相似，但与各自接种污泥差异明显。小试UASB反应器接种污泥中细菌的优势菌群分别为变形菌纲的δ亚纲（28.7%）和β亚纲（17.4%），至稳定运行期则演替为革兰氏阳性低GC菌群（21.9%）和变形菌纲的δ亚纲（14.0%）。中试反应器接种污泥Green non-sulfer bacteria（25.9%）和变形菌纲的δ亚纲（16.4%）类群占优势，而稳定期Green non-sulfer bacteria类群（17.9%）、革兰氏阳性低GC菌群（16.2%）和变形菌纲的δ亚纲（15.4%）为优势菌群。 产甲烷菌的优势克隆为SRJ 230、SRJ 26和SRJ 583，前两者分别与Methanosaeta concilii和未培养的Methanobacteria-like克隆Gran7M4的同源性达到97%和98%，后者与Methanomethylovorans. sp同源性为99%。接种污泥中上述类群占总克隆数量的比例较低。小试、中试接种污泥中产甲烷菌分别占7.8%和3.0%，但稳定运行期，该比例明显增加，分别达到21.9%和18.8%。上述结果表明启动期与稳定期污泥产甲烷菌种群组成相对稳定，但各类群数量明显增加。 添加Fe0的UASB反应器稳定运行期污泥中产甲烷菌比例（31.2%）高于对照反应器（24.2%）, 革兰氏阳性低GC类群、变形菌纲的δ亚纲比例差异不明显，而变形菌纲β亚纲（6.0%）和Green non-sulfer bacteria（9.2%）的比例均分别低于对照反应器（13.1%和17.1%）。该结果表明，添加Fe0使反应器内微生物群落多样性发生了显著变化。 此外，在添加Fe0的UASB反应器中检测到特异性的克隆SRJ 341和SRJ 320，两者分别同磷酸盐去除和铁氧化有关的克隆子Orbal D41和Clone195的序列相似性达95%和96%。这两个类群可能分别与磷酸盐去除及铁促产甲烷作用密切相关。这一结果尚未见报道。

结核分枝杆菌尼克酰胺酶/吡嗪酰胺酶的研究

本研究通过一系列生物学手段系统阐述了结核分枝杆菌尼克酰胺酶/吡嗪酰胺酶（PncA酶）的生物化学特征，并鉴定了酶当中的关键氨基酸。结果表明体外表达的结核分枝杆菌PncA酶是一个分子量为22.4 KDa的单体酶，其最适pH值和温度分别为6.6 ~ 7.4和35 ~ 45 °C。电感耦合等离子原子发射光谱结果表明PncA酶是一种含有Mn2+和Fe2+的蛋白，二者的比率为1:1。通过运用高效液相色谱和耦联氨酶试验的方法对纯化的PncA酶进行了动力学分析，结果表明PncA酶拥有相同的吡嗪酰胺酶和尼克酰胺酶活性。通过定点突变得到了9个突变，圆二色谱数据证明突变并没有引起PncA酶的二级结构的改变。对这9个突变的酶活性和金属离子含量分析的结果表明，D8、K96和C138是PncA酶结合和催化底物的关键氨基酸残基，D49、H51、H57和H71是金属离子结合的关键氨基酸，而Y103和S104则有可能与底物的结合稳定有关。我们的结果也表明，尽管与Pyrococcus horikoshii PncA酶的序列同源性很高，但二者在对金属离子的结合方式上存在明显差异, 并有可能导致两者在催化机制上的差异, 值得进一步研究。 通过筛选抗吡嗪酰胺药物的临床分离结核分枝杆菌19株，并对其pncA基因序列进行测序分析。结果再一次表明结核分枝杆菌PncA酶的突变与吡嗪酰胺耐药性密切相关，检测的准确性为78.9 %，并发现了一个在16位的甘氨酸突变为丝氨酸的新突变。