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(jìn)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(fēng)極和旱極之說。尤其是春季南極臭氧減少，使到達(dá)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(dá)到850 W/m2 以上，最大瞬時強度達(dá)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(xué)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(jìn)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(biāo)

對南極半島抗輻射微生物進(jìn)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(xiàn)。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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(xì)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(dá)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(xué)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(xì)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(xué)指標(biāo)進(jìn)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(jìn)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(xué)分析方法對該菌株基因組進(jìn)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(hù)劑，從而通過對菌種的改造將其應(yīng)用到放射性污染嚴(yán)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(xì)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(rèn)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(jìn)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(jì)價值的微生物資源，有待于進(jìn)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(xué)誘變劑顯示驚人的抗性。目前認(rèn)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(xì)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(zhǔn)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(xì)胞內(nèi)的超氧陰離子自由基、羥自由基和過氧化氫等對細(xì)胞毒害作用極強的活性氧自由基。輻射的間接作用能在細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞壁結(jié)合在一起，其外還有相當(dāng)厚而密的糖衣透過HPI 層間隙錨于外層細(xì)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(xì)菌全細(xì)胞脂肪酸分析鑒定、細(xì)菌磷酸類脂分析等生理生化項目，并對該新菌株進(jìn)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(jìn)行全面研究。

專家評語

該研究內(nèi)容完整，思路清晰，結(jié)論可靠，創(chuàng)新性明顯。主要創(chuàng)新點有：篩選出了一種具有抗輻射特性的微生物，獲得了奇異球菌屬的一個新種。建議按照新物種發(fā)表要求組合形態(tài)特征圖示，并探索不同輻射的影響。