弧菌科（Vibrionaceae）细菌类群中基因组最小的细菌——海洋侧支发光细菌（Paraphotobacterium marinum）

 

弧菌科（Vibrionaceae）细菌类群中基因组最小的细菌

——海洋侧支发光细菌（Paraphotobacterium marinum）

 

我们生活在一个微生物的世界。微生物无处不在，无所不能。它好比夜空中闪亮的星星，浩瀚无垠。仰望夜空，你总能发现与众不同的一颗。海洋如同浩瀚的星空一样，在这片蓝色的星球中蕴藏了许许多多的丰富多彩，与众不同的微生物。

从中国南海表层海水中，我们分离培养到弧菌科（Vibrionaceae）细菌的一个新类群——海洋侧支发光细菌（Paraphotobacterium marinum）。模式菌株为NSCS20N07D^T (=KCTC 52126^T =MCCC 1A01886^T =CIP 111031^T)。通过细菌基因组草图分析（draft genome），这个细菌基因组仅有2.5 M，其基因组大小远远小于发光细菌属的种类以及弧菌科的其他属的种类。

借助于三代测序（PacBio RS sequencing）的方法，我们获得了海洋侧支发光细菌，菌株NSCS20N07D^T的基因组完成图。三代测序是单分子测序技术，测序过程不需要PCR扩增，就可以对每一条DNA分子进行测序。因此三代测序获得的序列很长，其平均长度为10 K，最长可以测序到60 K。通过一个cell测序的数据，我们组装获得了菌株NSCS20N07D^T基因组的完整圈图（complete genome）。这株菌的基因组大小只有2.6 Mbp，GC含量为31.2 mol%, 这株菌也具有两个染色体，分别为大染色体1.4 M， GC含量31.6 mol%；小染色体1.2 M，GC含量30.8 mol%（图1）。具有两个染色体（two chromosomes）是弧菌科细菌类群重要的基因进化特征。比如我们熟知的霍乱弧菌Vibrio  cholerae  El  Tor  N16961，具有一个大染色体3.0 M，一个小染色体1.1 M。

 

图1. 海洋侧支发光细菌，模式菌株NSCS20N07D^T的基因组特征。A，两个染色体的圈图（内圈到外圈，分别是GC-skew，GC content， rrn operon， tRNA， 前导链ORFs，后随链ORFs）。B，两个染色体上COG功能分类。

通过与弧菌科细菌类群7个属134个细菌基因组的比较，我们发现，海洋侧支发光细菌是目前报道的弧菌科类群中最小的基因组的细菌，而且GC含量也是最小的（图2）。通过基因组的功能注释，我们发现大染色体的功能主要是维持细胞的基础代谢（糖、氨基酸、脂类、能量代谢）。小染色体由于存在大量的未知基因，它的功能还有待进一步研究。此外，通过对分离侧支发光细菌的南海表层海水微生物群落组成的认识，我们发现海洋侧支发光细菌在海水的丰度非常低，是一类稀有菌群（rare species）。最后，我们通过16S rRNA gene序列的比对，分析发现海洋侧支发光细菌主要生活在大洋深海的环境中，比如中国南海水体，东太平洋的热液羽流、深海珊瑚等等。

图2. 海洋侧支发光细菌的基因组比较

目前这个研究在基因组序列水平对海洋侧支发光细菌的生命活动进行描述，其重要的生命功能还有待进一步验证。发现微生物及认识其生命活动过程是多么神奇。好比你仰望茫茫的夜空，发现了那个闪亮的星星，开启了一次发现之旅。

                                               供稿人： 黄兆斌 2015级博士生

导  师： 邵宗泽  研究员

参考文献：Zhaobin Huang, Zhen Liu, and Zongze Shao. The pelagic bacterium Paraphotobacterium marinum has the smallest complete genome within the family Vibrionaceae. 2017. Front. Microbiol. doi: 10.3389/fmicb.2017.01994.