南極半島一種新的抗輻射微生物的發(fā)現(xiàn)及其生理生化特性研究

范克科 萬一

研究背景

隨著人類對地球的不斷探索，人們在原本被視為生命禁區(qū)的極端環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了形形色色的微生物，這些微生物統(tǒng)稱為極端微生物，包括嗜熱、嗜冷、嗜酸、嗜堿、嗜壓、嗜金、抗輻射、耐干燥和極端厭氧等多種類型。極端的溫度、鹽度、壓力環(huán)境使得微生物在基因、代謝、酶特性等方面進化具有了獨特的防御機制。

南極地區(qū)氣候環(huán)境極其惡劣，有世界寒極、風極和旱極之說。尤其是春季南極臭氧減少，使到達地面的輻射明顯增加。南極極晝期間晴天的電離與紫外輻射強度非常大，中山站中午前后總輻射可達到850 W/m2 以上，最大瞬時強度達到1 093 W/m2。盡管如此，這里卻存在著豐富的極端微生物資源。過去科學家對極地微生物的研究主要集中在嗜冷、抗旱、抗重金屬等方面，而針對南極抗輻射微生物的研究鮮有報道。故作者選擇對南極半島微生物的抗輻射特性進行研究，為人類開發(fā)極地抗輻射微生物資源提供充實的資料。

研究目標

??對南極半島抗輻射微生物進行篩選、分離和鑒定，嘗試在極寒環(huán)境中發(fā)現(xiàn)有抗輻射特性的微生物。

??研究極寒環(huán)境下的抗輻射微生物的生理生化特性。

研究思路

查閱書籍、文獻。通過查閱專業(yè)書籍掌握微生物的富集培養(yǎng)、分離、篩選、純化、分類鑒定及生理生化特性等基礎(chǔ)知識，了解目前國內(nèi)外南北極微生物研究的現(xiàn)狀與進展。

實驗探究與分析。土壤樣本的采集、處理、運輸、保存、分析等在專業(yè)人員的指導(dǎo)下進行，按照土壤微生物及其理化性狀分析等操作手冊獲得實驗數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析和總結(jié)。

研究內(nèi)容

從南極半島附屬島嶼土壤中定點采集微生物樣本， 經(jīng)過鈷60 輻射、富集培養(yǎng)、分離、純化、鑒定，篩選出1 株抗輻射細菌菌株H-1。經(jīng)過16SrRNA 測序和生理生化特性檢測，確定該菌株為奇異球菌屬的一個未報道的新種。菌株H-1 在15℃、20℃的溫度條件下生長良好，最適培養(yǎng)基為PCA，對鹽沒有耐受性，可代謝產(chǎn)生過氧化氫酶、酯酶和脲酶。H-1 的紫外輻射耐受程度顯著高于其對照菌株。

結(jié)果分析

抗輻射奇異球菌是一種紅色、不產(chǎn)孢子的革蘭氏陽性細菌，到目前為止，至少已分離出50株奇異球菌屬的菌株，包含嗜常溫、嗜熱、嗜冷、抗輻射的個體。目前對抗輻射奇異球菌的功能研究表明：一是抗輻射奇異球菌能夠存在于極端干燥環(huán)境中;二是抗輻射奇異球菌能在高達50 kGy 的輻射劑量下生存，且抗輻射奇異球菌對紫外輻射（254 nm）也具有極強的抗性;三是具有的超強修復(fù)系統(tǒng)能快速有效地修復(fù)因環(huán)境脅迫造成的DNA 和蛋白質(zhì)的損傷。正因抗輻射奇異球菌對電離輻射、紫外輻射、干燥、DNA 損傷試劑和氧化劑等均表現(xiàn)出極強的抗性，自其被發(fā)現(xiàn)以來，引起了全世界許多科學家的興趣和關(guān)注，并一直在開展對該菌的系統(tǒng)研究。

根據(jù)本文基于16SrRNA 序列相似性與系統(tǒng)發(fā)生分析結(jié)果，說明本研究所篩選的菌株與抗輻射奇異球菌屬細菌之間有著比較近的親緣關(guān)系，而且該菌株與所有已知分類地位的種屬之間的16SrRNA 同源相似性均低于97%，生理生化特性檢測數(shù)據(jù)與對照菌株存在顯著差異，確定該菌株所代表的是抗輻射奇異球菌屬的一個之前未曾被發(fā)現(xiàn)的新種。

經(jīng)過對菌株形態(tài)學指標進行鑒定，菌株在25℃以上的溫度范圍不能生長，在15℃、20℃的條件下生長良好，保持了低溫微生物的性質(zhì)。該菌株最適培養(yǎng)基為PCA，對鹽基本沒有耐受性。該菌株對于電離輻射與紫外輻射耐受程度顯著高于一般微生物。對該菌株及其對照菌株進行生理生化性能的檢測發(fā)現(xiàn)，二者均為革蘭氏染色陽性，其生長過程中均會產(chǎn)生過氧化氫酶、酯酶和脲酶。

基于H-1 菌株對于多種輻射具有極高抗性這一現(xiàn)象，結(jié)合生物信息學分析方法對該菌株基因組進行分析，有望在短期內(nèi)發(fā)現(xiàn)重要功能基因。在此基礎(chǔ)上，利用該菌株具有極強的抗電離與紫外輻射這一特性，克隆其相關(guān)的基因并應(yīng)用于生物工程。同時，有可能通過基因工程手段，制備抗輻射蛋白質(zhì)作為輻射防護劑，從而通過對菌種的改造將其應(yīng)用到放射性污染嚴重的生態(tài)修復(fù)中，這將為人類利用自然提供強有力的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

結(jié)論

常年低溫、冰封、干旱、強輻射等條件構(gòu)成了南極的極端環(huán)境。在這里存在著大量未知的微生物，它們存在著巨大的潛在科研和生態(tài)價值，對南極抗輻射微生物的研究顯得格外重要。

從南極半島地區(qū)采集的微生物樣本經(jīng)過篩選、分離，鑒定出1 株抗輻射細菌菌株。經(jīng)過16SrRNA 基因序列分析該菌株為奇異球菌屬（Deinococcussp.）的物種，綜合生理生化特性檢測結(jié)果，可確認該菌株是具有抗輻射功能的新種，其對于電離與紫外輻射的耐受度顯著高于一般微生物。對該新菌株的部分生理生化特性進行研究發(fā)現(xiàn)，該菌株在15℃、20℃的低溫條件下生長良好，最適培養(yǎng)基為PCA，對鹽沒有耐受性，與對照菌株D.alpinitundrae 的生理生化特性有明顯區(qū)別，生長過程中會代謝產(chǎn)生過氧化氫酶、酯酶和脲酶，紫外輻射耐受程度顯著高于其對照菌株。

本研究從南極半島篩選的抗輻射低溫微生物菌株是有特殊功能和經(jīng)濟價值的微生物資源，有待于進一步開發(fā)其實際應(yīng)用潛力。

展望

抗輻射奇異球菌是迄今為止地球上發(fā)現(xiàn)的最抗輻射的生物之一，其對電離輻射、紫外線、干燥、強氧化劑和一些化學誘變劑顯示驚人的抗性。目前認為，奇異球菌的抗輻射機制在于其具有DNA 的高效損傷修復(fù)機制，對自由基的有力清除能力，以及獨特的細胞壁和染色體結(jié)構(gòu)。

抗輻射奇異球菌能夠在幾十個小時內(nèi)準確無誤地修復(fù)由輻射引起的幾百個雙鏈DNA 碎片。研究表明， 這與其具有兩種高效的DNA 損傷修復(fù)機制有關(guān)：切除修復(fù)和重組修復(fù)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在抗輻射奇異球菌中存在更快速、高效的DNA 修復(fù)的RecA 酶。此外，電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，致密有序雙鏈DNA 碎片（DSBs）環(huán)狀堆積結(jié)構(gòu)利于DNA 的重組修復(fù)。

研究表明，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT） 和過氧化物酶（POD）能有效清除細胞內(nèi)的超氧陰離子自由基、羥自由基和過氧化氫等對細胞毒害作用極強的活性氧自由基。輻射的間接作用能在細胞內(nèi)產(chǎn)生大量的自由基，而研究發(fā)現(xiàn)，有些抗輻射奇異球菌細胞中的SOD 的活性、CAT 酶活性均比較高， 這無疑也是其輻射抗性高的一個重要原因。有些抗輻射奇異球菌具有獨特的細胞壁結(jié)構(gòu)，猜測可能與其特殊的抗輻射功能相關(guān)。三維電子顯微技術(shù)顯示， 該菌具有被稱為HPI 層的規(guī)則對稱的表面層，HPI 層緊密地與其細胞壁結(jié)合在一起，其外還有相當厚而密的糖衣透過HPI 層間隙錨于外層細胞壁上，并覆蓋HPI 層。

后續(xù)研究將從上述幾方面入手，重點開展菌株抗輻射機制的研究。此外，還將展開細菌全細胞脂肪酸分析鑒定、細菌磷酸類脂分析等生理生化項目，并對該新菌株進行全基因序列測定、菌株代謝產(chǎn)物成分分析、菌株產(chǎn)紅色素種類及結(jié)構(gòu)等方面進行全面研究。