文化长廊

纤维单胞菌种属研究现状
北纳生物 2019-01-08

菌株

<菌株>

1纤维单胞菌属的建立及研究现状

1.1纤维单胞菌属的建立

1912年,Kellerman和McBeth在研究纤维素发酵时,分离获得一株具有纤维素降解能力的菌株ATCC 482。该菌株好氧,细胞呈不规则杆状,菌落呈柠檬黄且不透明。当时,根据菌株的表型特征,将这株菌命名为产黄芽孢杆菌(Bacillus flavigena)。1923年,Bergey等从生理生化特征和化学分类学角度对菌株B.flavigena ATCC 482进行了进一步分析,发现这株菌能够水解纤维素、明胶和淀粉,能同化醋酸盐、糊精、葡萄糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖、纤维二糖和海藻糖等多种碳源;细胞膜脂肪酸主要含有anteiso-C15:0,甲基萘醌的优势成分为MK-9(H4),细胞壁肽聚糖的肽桥是L-Orn←D-Asp。根据以上特征,Bergey等将这株菌从芽孢杆菌属中移出,提议建立了纤维单胞菌属(Cellulomonas),菌株ATCC 482也随之更名为产黄纤维单胞菌(Cellulomonas flavigena),被指定为模式种。纤维单胞菌属隶属于细菌域(Bacteria)放线菌门(Actinobacteriota)放线菌纲(Actinobacteria)微球菌目(Micrococcales)纤维素单胞菌科(Cellulomonadaceae)。目前该属包含26个有效描述种。

1.2纤维素单胞菌属及其近缘属

1991年,Stackebrand和Prauser以纤维素单胞菌属为模式属建立了纤维素单胞菌科(Cellulomonadaceae),并综合了该科已有的4个属的典型特征,概括了纤维素单胞菌科中菌株的分类学特征:需氧或兼性厌氧,革兰氏染色阳性,但部分菌龄较老的细胞革兰氏染色为阴性;细胞一般为直杆状或稍微弯曲的杆状;一般不具有运动性,也有一些菌株会有极生鞭毛和亚极生鞭毛形成,具运动性;在细胞化学组成上,主要的甲基萘醌为MK-9(H4),主要的脂肪酸成分为anteiso-C15:0。目前,纤维素单胞菌科包括了放线纤丝菌属(Actinotalea)、纤维单胞菌属(Cellulomonas)、厄氏菌属(Oerskovia)、Paraoerskovia、Pseudactinotalea、Sediminihabitans、Tropicihabitan共7个菌属。其中,纤维单胞菌属和厄氏菌属的亲缘关系最近。纤维单胞菌和厄氏菌的16S rRNA基因序列相似性较高(>95%),在系统进化树上这2个属的菌存在混合聚类现象。

在形态学上,纤维单胞菌属中绝大部分菌株不能形成分枝状的营养菌丝,而厄氏菌可以在固体培养基中生长形成分枝营养菌丝。在细胞化学组分中,纤维单胞菌具有与厄氏菌相同的优势甲基萘醌成分MK-9(H4)和主要脂肪酸成分anteiso-C15:0和C16:0。这2个菌属的菌株在肽聚糖类型和特征性氨基酸成分上存在差异,纤维单胞菌的肽链的第3位氨基酸是L-Orn,肽桥类型为L-Orn←D-Asp/D-Glu,而厄氏菌肽链的第3位氨基酸则是L-Lys,肽桥类型为L-Lys←L-Thr←D-Asp/D-Glu[9]。这2个相近的菌属在特征性碱基组成上能够相互区分,纤维单胞菌属的16S rRNA特征性核苷酸包括:185:192(R–Y),602:636(C–G),612:628(Y–G)和1120:1153(C–G),而厄氏菌属在这些特征性核苷酸位点的组成分别是C–G,G–U,U–A和U–A。肽聚糖类型、氨基酸组分和特征性碱基组成的差异,通常被视为区分这2个菌属菌株的主要依据。

1.3纤维素单胞菌属的分类学特征

1.3.1形态和生理生化特征:在酵母浸膏-葡萄糖琼脂培养基上培养时,纤维单胞菌可形成光滑、光亮、白色或黄色的菌落。除C.humilata外,其他纤维单胞菌均不形成分枝状菌丝体。细胞形态多为细长的不规则杆状,大小为(0.3–0.7)μm×(1.0–4.0)μm,不产生孢子。一些菌株能依靠1条极生鞭毛或侧生鞭毛运动。纤维单胞菌为好氧或微厌氧菌,革兰氏反应阳性。最适生长温度为30℃,最适生长pH值为7.2–7.4。接触酶反应为阳性,硝酸盐还原阳性,脲酶反应为阴性。纤维单胞菌能水解马栗树皮甙,利用葡萄糖产生乙酸和L(+)-乳酸。除C.biazotea能利用棉子糖,C.flauigena和C.cartalyticum能利用核糖和葡萄糖酸外,其他菌均不能同化棉子糖、核糖和葡萄糖酸。大多数纤维单胞菌能水解淀粉和明胶。除C.hominis外,其他菌均具有水解纤维素的能力。

1.3.2化学分类学特征:大部分纤维单胞菌的细胞壁特征性糖为鼠李糖和其他1–2种糖,如核糖、半乳糖、甘露糖、葡萄糖和木糖等。而C.uda和C.gelida的细胞壁中只含有葡萄糖。细胞壁肽聚糖主要含有的特征性氨基酸是Orn和Glu/Asp。细胞膜呼吸醌的主要成分是MK-9(H4),主要的脂肪酸成分为anteiso-C15:0和C16:0,主要的极性脂成分为双磷脂酰甘油(DPG)和磷脂酰肌醇甘露糖甙(PIM)(表1)。

1.3.3分子分类特征:纤维单胞菌属隶属于纤维单胞菌科,在基于纤维单胞菌科中相关菌株16S rRNA基因序列构建的系统进化树中,纤维单胞菌属内有效描述种分散于纤维单胞菌科内,形成3个分支(图1):C.denverensis DSM 15764T、C.pakistanensis DSM 24792T和C.hominis ATCC 51964T形成的一个分支;C.bogoriensis DSM 16987T和C.carbonis KCTC 19824T聚于1个亚分支,紧邻于Paractinotalea属和Actinotalea属;其他21个有效描述种聚于一支,我们的新分离菌株CPCC 204704和CPCC 204705落在这个分支内,并与C.oligotrophica DSM 24482T及C.marinaDSM 24960 T形成一个稳定的亚分支。从进化树上看,纤维单胞菌属与厄氏菌属的进化距离最近。

纤维单胞菌属成员的基因组DNA的(G+C)含量为(68.5–76.0)mol%。

1.4纤维单胞菌属的分类学地位变更历史及其生态分布

自1923年建立纤维单胞菌属以来,研究人员陆续从各种不同环境中分离获得大量纤维单胞菌新物种;与此同时,随着原核微生物多相分类研究方法的不断完善,研究人员从细胞形态、生理生化特性、细胞化学成分和分子生物学特征等多个角度对以前的一些物种又进行了重新分类。1988年,Stackebrandt根据C.cartae、Brevibacterium lyticum、Brevibacterium fermentans、Nocardia cellulans和Oerskovia xanthineolytica在生理生化和代谢特征上的高度相似性,将这些菌合并为一个种并命名为C.cellulans。2000年,Collins等根据Actinomyces humiferu s与Actinomyces属典型特征的差异,如主要分布于有机质丰富的土壤,最适生长温度为30℃,对溶菌酶敏感且基因组DNA的G+C百分含量等更符合Cellulomonas属的特征等,将Actinomyces humiferus归入Cellulomonas属,更名为C.humilata。2001年,Schumann根据C.cellulans在基于Micrococcales目内菌株的16S rRNA基因序列而构建的系统进化树上位于Cellulomonas属分支的外侧,且C.cellulans的肽聚糖为A4α类型,不同于Cellulomonas属菌株的A4β类型,将其从Cellulomonas属内移出,更名为Cellulosimicrobium cellulan,并以这株菌为模式菌建立了Cellulosimicrobium新属。2002年,Stackebrandt依据C.turbata对Oerskovia属的噬菌体敏感的特性,以及该菌具有明显的区分于其他纤维单胞菌的肽聚糖氨基酸组成和菌丝体的差异,将C.turbata从Cellulomonas属移出,另立Oerskovia新属,C.turbata从此更名为Oerskovia turbata。2007年,Yi等根据C.fermentans主要的甲基萘醌成分为MK-10(H4),区别于Cellulomonas属的其他成员,且基于Micrococcales目内菌株的16S rRNA基因的系统进化树上C.fermentans位于Cellulomonas属的分支的外侧,因此,将C.fermentan s从Cellulomonas属移出,更名为Actinotalea fermentans,并以A.fermentans作为模式菌建立了Actinotalea新属。

目前,纤维单胞菌属含有26个有效描述菌种:C.aerilata、C.biazotea、C.bogoriensis、C.carbonis、C.cellasea、C.chitinilytica、C.composti、C.denverensis、C.fimi、C.flavigena、C.gelida、C.hominis、C.humilata、C.iranensis、C.marina、C.massiliensis、C.oligotrophica、C.pakistanensis、C.persica、C.phragmiteti、C.soli、C.terrae、C.uda、C.macrotermitis、C.timonensi s、C.xylanilytica。

这些纤维单胞菌主要分离自土壤和纤维素丰富的环境,如腐朽的木材、堆肥等,也有部分菌株来自于空气、海洋、河岸沉积物、昆虫体表、人类肠道等环境。

最近,本实验室从采集自巴丹吉林沙漠的沙漠土壤样品中分离得到了2株纤维素单胞菌CPCC 204705和CPCC 204704。菌株CPCC 204705的16S rRNA基因序列与C.oligotrophica DSM 24482T的相似性最高(97.8%),在基于16S rRNA基因序列分析而构建的系统进化树上,CPCC 204705和C.oligotrophica DSM 24482T及C.marina DSM 24960T形成一个稳定的亚分支,其中CPCC 204705和C.oligotrophica DSM 24482T的进化距离最近。菌株CPCC 204705和C.oligotrophica DSM 24482T的基因组DNA-DNA杂交值为(7.1±0.4)%,显著低于区分原核生物的物种界限值(70%),据此,我们认为菌株CPCC 204705可能代表了一个区别于C.oligotrophica DSM 24482T的基因种。

对菌株CPCC 204705进行了多相分类学研究,结果概述如下:菌株CPCC 204705为革兰氏阳性好氧菌,呈短棒状,细胞大小为(0.8–1.0)μm×(0.9–1.2)μm。菌株能够在pH 6.0–8.0、20℃–45℃和0–4%(W/V)的NaCl浓度范围内生长。最适生长条件为pH 7、28–30℃和0–1%的NaCl浓度。菌株在25℃、pH 7.0的R2A琼脂上培养4d后,形成光滑、湿润的黄色菌落。菌株CPCC 204705能水解纤维素,但不水解明胶和淀粉。过氧化氢酶、酯酶脂肪酶(C8)、碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、萘酚-As-B1-磷酸水解酶和β-葡萄糖苷酶活性均呈阳性。氧化酶(API)反应为阴性。能利用甘油、L-阿拉伯糖、D-木糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、D-果糖、D-甘露糖、L-鼠李糖、D-甘露醇、甲海醇-α-D-葡萄糖苷、杏仁苷、熊果苷、水杨素、D-丝氨酸、D-麦芽糖、D-乳糖、蔗糖、D-海藻糖、糖原、豆状糖、D-杜松糖、2-酮葡萄糖酸钾等碳源产酸。细胞壁中含有Orn、Asp、Gly和Glu。全细胞水解物中含有鼠李糖、核糖和葡萄糖,其主要脂肪酸为anteiso-C15:0和anteiso-C15:1 A,主要甲基萘醌成分为MK-9(H4)。极性脂主要包括二磷脂酰甘油和磷脂酰肌醇甘露苷。

综合菌株CPCC 204705的表型和基因型数据及其与最邻近的菌株C.oligotrophica 24482T的区别性特征,我们将菌株CPCC 204705鉴定为纤维单胞菌属的一个新种。

菌株CPCC 204704与CPCC 204705的16S rRNA序列的相似性为99%,二者的基因组杂交值高于区分原核生物的物种界限值(70%),据此,判定CPCC 204704和CPCC 204705是同一个基因种。

我们采用CMC-Na平板筛选法检测到菌株CPCC 204704和CPCC 204705均具有内切葡聚糖酶活性。

相关推荐:

实验室菌株保存方法

放线菌的分离纯化结果

如何对抗肾脏纤维化

上一篇:北纳生物带您认识——海洋微生物!

下一篇:T细胞白血病病毒感染并扩散的分子机制

0

BeNa Culture Collection  |  北纳创联  |  bncc.org.cn