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三大洋深海沉积物样品可培养真菌多样性研究

2023-12-24 来源:欧得旅游网
第34卷第1期 应用海洋学学报 Journal of Applied Oceanography Vo1.34.No.1 2015年2月 Feb.,2015 三大洋深海沉积物样品可培养真菌多样性研究 徐 炜,李广伟,黄翔玲,骆祝华 (国家海洋局第三海洋研究所、国家海洋局海洋生物遗传资源重点实验室,福建厦门361005) 摘要:深海真菌是深海微生物的重要组成之一,在深海环境生态系统中起着非常重要的作用,但目 前人们对于深海沉积物中的真菌群落多样性关注较少.本研究对来自东太平洋、南大西洋和西南印 度洋(三大洋)的15个沉积物样品进行真菌的分离培养,共获得175株真菌,包括93株酵母菌和 82株丝状真菌.基于形态学观察和ITS序列的系统发育分析显示,93株酵母分别属于红冬孢酵母 属(Rhodosporidium)和胶红酵母属(Rhodotorula)的两个种[海洋红酵母(Rhodosporidium paludige— nltm)和胶红酵母(Rhodotorula mucilaginosa)].82株丝状真菌分别属于曲霉属(Aspergillus)、枝孢 属(Cladosporium)、青霉属(Penicillium)、链格孢属(Alternaria)、镰刀菌(Fusarium)、支顶孢属(Acre— monium)、茎点霉属(Phoma)、麦轴梗霉属(Tritirachium)、毛壳菌属(Chaetomium)、外瓶霉属( 一 ophiala)、侧齿霉属(Engyodontium)、肉片齿菌属(Sistotrema)、裂褶菌属(Schizophyllum)、腥掷抱菌 属(Tilletiopsis)和Hormonema.其中曲霉属为丝状真菌中的优势属,占总菌株的47.6%.上述研究结 果表明大洋深海沉积物中存在着较为丰富的真菌资源,有助于加深我们对于不同大洋区域深海环 境中真菌群落结构的认识. 关键词:海洋生物学;深海沉积物;可培养真菌;多样性;ITS序列 DOI:10.3969/J.ISSN.20954972.2015.01.014 中图分类号:P735 文献标识码:A 文章编号:20954972(2015)0l-0103-08 真菌广泛存在于各种海洋环境中 ,主要作为 分解者参与到海洋生态系统的物质循环中 .也有 报道提及真菌可以作为寄生菌、病原菌以及共生微 生物存在于海洋环境中 .深海是一个低温(除热 液口区域外)、高压、无光照的极端生态环境.深海 类群的发现方面取得了许多突出的进展 ’ “ .而 传统的分离培养方法除了可获得深海真菌的多样性 信息外,还可以对分离获得的菌株进行生理生化分 析及其对深海高压、低温、寡营养等极端环境的适应 机制研究,对于深海真菌资源的获取与开发有重要 的极端环境造就了其丰富且广泛未知的微生物群 落,同时也给生态考察带来了很多技术上的难题.近 年来,随着深海取样技术的不断进步,对深海环境中 意义.目前已在多种深海环境中分离得到真菌菌株, 包括深海热液区[ 。 、缺氧区 、冷甲烷渗出区¨ 和沉积物环境¨ .这些分离培养获得的深海真菌 大多属于子囊菌门(Ascomycota),还有少数担子菌 门(Basidiomycota)真菌. 的真菌群落结构的研究,已经成为科学家们的一个 研究热点。。 . 1964年,Roth等(1964)首次从大西洋4 500 m 深的海水中分离到深海真菌 J.此后,越来越多的 研究开始关注各种深海环境中的真菌分离与多样性 分析.目前,对于深海真菌多样性的研究主要依赖于 传统的分离培养方法和以分子生物学为基础的免培 养方法.基于环境基因组总DNA为基础的免培养方 本研究对来自东太平洋、南大西洋与西南印 度洋不同站位的多个深海沉积物样品进行真菌的 分离培养,并通过形态学观察结合ITS序列分析对 所获得的真菌进行分类鉴定,为认识不同海域深 海环境中可培养真菌的多样性提供基础资料.同 时也为未来的深海真菌资源的进一步开发利用奠 定基础. 法可获得丰富的真菌多样性信息,在新的深海真菌 收稿日期:2014-06-09 基金项目:中国大洋协会资助项目(DY125-15-R-01);国家自然科学基金资助项目(41376171) 作者简介:徐炜(1987~),男,博士;E—mail:xwkhj@163.eom 通讯作者:骆祝华(1977~),男,博士,副研究员;E—mail:luozhuhua@rio.org.cn ・104・ 应用海洋学学报 1材料与方法 1.1 样品采集 em的沉积物样品以避免环境污染.将2~5 em层次 的沉积物样品混合均匀,放人无菌袋中置于4℃中 保藏,待样品运回实验室后立即进行后期的真菌分 离.15个沉积物样品分别来自东太平洋(6个)、南 大西洋(2个)与西南印度洋(7个)(表1). 本实验中所用的15个深海沉积物样品均来自 科考船“大洋一号”21航次在2009年10月到2010 年4月所采集的深海沉积物样品.沉积物样品由电 视抓斗采集获得.样品采集到甲板后,去除表层2 表1 深海沉积物样品来源信息 Tab.1 Information of deep sea sediments in this study 1.2真菌分离 1.3真菌的形态学观察 样品带回实验室,每个样品取1 g沉积物用来分 真菌的形态学观察采用埋片法.在凝固的PDA 离培养真菌.本实验采用5种不同的培养基:麦芽浸 出液琼脂培养基(malt extract agar,MEA)、察氏琼脂 平板上用灭菌小刀开2个小槽,宽度小于1.5 em. 把真菌菌株接种于小槽边上,盖上灭菌的盖玻片,置 培养基(ezapek dox agar,CDA)、沙氏葡萄糖琼脂培 养基(sabouraud dextrose agar,SDA)、玉米粉琼脂培 养基(corn meal agar,CMA)和马铃薯葡萄糖琼脂培 于25℃恒温培养箱中培养.待真菌菌丝沿着盖玻片 生长后,取下盖玻片,置于载玻片上,显微镜下镜检 观察菌丝及孢子的形态. 1.4真菌DNA提取与纯化及ITS序列扩增 养基(potato dextrose agar,PDA),使用人工海水配 制,然后高温高压灭菌,冷却至60℃后加入青霉素 和链霉素(终浓度各1 g/dm ),用于抑制细菌生长. 实验中培养的成分含量减少至常规用量的1/5,用 于刺激深海寡营养环境下的真菌生长.沉积物样品 用样品稀释液(Ringer Solution)按1:10的比例稀释 将分离获得的真菌接种到液体的PYG培养基 中,于25℃培养7 d,将所获得的纯培养物真菌DNA 提取采用通用的CTAB基因组DNA提取法,将提取 所获得的基因组DNA通过引物ITS1/4(ITSI:5’一 TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3’和ITS4:5’一CGT— 制成悬液,10倍稀释平板涂布法分离¨ .涂布后的 平板置于25℃恒温培养箱中培养,3 d后每天观察 TACTRRGGCAATCCCTGTTG.3’ ,Tm:55℃)进行 PCR扩增,每个样品做3组平行,扩增所得的PCR 各种培养基上真菌的生长情况,并根据菌落培养性 状(菌落直径、颜色、质地、菌落反面和可溶性色素、 培养基中渗出物的有无等)简单归类并计数后¨ , 挑取不同菌落纯化,最后用甘油于一80℃保种. 产物经质量分数为1%琼脂糖凝胶电泳检测后确定 是否为目的产物.所得的产物经PCR产物回收试剂 盒(天根生化科技有限公司,北京)纯化后,送至测 序公司(上海美吉生物医药科技有限公司,上海)进 1期 徐炜,等:三大洋深海沉积物样品可培养真菌多样性研究 ・105・ 行测序. 表2基于ITS序列的酵母菌株鉴定结果 Tab.2 Identiicatfion of yeasts based on ITS sequences 1.5真菌序列的进化分析 测序得到的ITS序列经过DNASTAR软件去 除冗余序列,然后对真菌的ITS序列进行比对分 析,把序列相似度≥99%的序列归为一个种,每种 选择一个代表序列在NCBI数据库中进行Blastn 分析.从Blast结果中挑选每种真菌最相近的真菌 ITS序列,用Clustal W进行完全比对,然后通过 2.2 丝状真菌分子鉴定结果及分析 MEGA 5.1采用邻位加入法(neighbor-joining meth— od,NJ)建立系统进化树,选择使用1 000次重复 从东太平洋(5个站位)、南大西洋(2个站位) 及西南印度洋(7个站位)共14个站位的沉积物中 的自展分析(bootstrap analysis)来检验系统发育树 的可信度. 共分离获得82株丝状真菌.通过形态学观察并结合 真菌ITS序列分子生物学分析对菌株进行鉴定.结 果显示,82株真菌属于15个属,它们分别是:曲霉 属(Aspergillus)39株、枝孢属(Cladosporium)13株、 2结果与分析 2.1 酵母菌分子鉴定结果及分析 青霉属(Penicillium)10株、链格孢属(Ahernaria)4 株、镰刀菌属(Fusarium)3株、枝顶孢属(Acremoni— 从大西洋SA.1、SA一2和东太平洋EP一3、EP.6共 4个站位的样品中分离获得94株酵母菌.通过对这 些酵母菌的ITS序列进行分析,得到了酵母菌的分 子鉴定结果(表2).Blast结果显示93株酵母菌ITS um)2株、茎点霉属(Phoma)2株、麦轴梗霉属(Triti— rachium)2株、毛壳菌属(Chaetomium)1株、外瓶霉 属(Exophiala)1株、侧齿霉属(Engyodontium)1株、 肉片齿菌属(Sistotrema)1株、裂褶菌属(Schizophyl— lure)1株,腥掷孢菌属(Tilletiopsis)1株和Hor— monema 1株.其中除菌株DSF.27与Hormonema sp. 序列与GenBank数据库中序列相似度都在99%一 100%,可归为红冬孢酵母属与胶红酵母属的2个种 海洋红酵母(Rhodosporidium paludigenum)和胶红酵 母(Rhodotorula mucilaginosa).其中34株酵母菌是 F-054,258的序列相似度为98%外,其余菌株与 GenBank库中参照菌株序列相似性都在99%~ 100%之问(表3).菌株及相关信息(形态学特征和 海洋红酵母,占所鉴定酵母总菌株的36.56%;另外 59株酵母菌属于胶红酵母,占所鉴定酵母总菌株的 63.44%.从本研究的结果中可以看出,深海沉积物 ITS序列)均保存在中国海洋微生物菌种保藏管理 中心(www.mccc.org.cn).各属菌株所占总菌株数 的比例如图2.采用Neighbour—Joining法构建基于 样品的酵母菌的多样性不高,在南大西洋SA一1和东 太平洋EP一3、EP一6这3个站位中胶红酵母分布比例 比海洋红酵母高,而在南大西洋SA一2站位中则相 ITS基因序列的丝状真菌系统进化树(图1),显示 所获得的丝状真菌菌株都是子囊菌门和担子菌门真 菌,其中子囊门真菌所占的比例较高,占总菌株的 93.9%(图2). 反.此外,本研究中有73.3%的沉积物样品未能分 离到酵母,推测实验中所使用的培养基可能不适合 于分离培养深海酵母,故导致本实验中所获得酵母 菌的多样性不高. 表3基于ITS序列分析的丝状真菌鉴定结果 Tab.3 Identiicatfion of cultivable filamentous fungi with ITS gene analysis ・106・ 应用海洋学学报 34卷 ITlonem,a(1株)、毛壳菌属(1株)、侧齿霉属(1 2.3不同大洋深海沉积物样品真菌多样性的差异 3个不同海区的菌株总体情况参见表4.东太 平洋的5个站位的沉积物分离到的30株丝状真菌 株)、麦轴梗霉属(1株)和腥掷孢菌属(1株).对 分离获得的真菌属在三大洋之间进行比较分析显 示(图3),三大洋都有枝孢属和青霉属真菌的分 布,东太平洋和南大西洋都有链格孢属真菌的分 布,东太平洋和西南印度洋都有曲霉属和轴梗霉 属的分布,南大西洋和西南印度洋都有茎点霉属 和镰刀菌属的分布,而其他8个属真菌则只在其 分属于6个属,分别是:曲霉属(19株)、枝孢属(6 株)、青霉属(2株)、链格孢属(1株)、外瓶霉属(1 株)和麦轴梗霉属(1株).在南大西洋2个站位的 沉积物分离到的14株丝状真菌分属于7个属:青 霉属(4株)、枝孢属(3株)、链格孢属(3株)、裂褶 菌属(1株)、镰刀菌属(1株)、茎点霉属(1株)和 肉片齿菌属(1株).西南印度洋7个站位的38株 丝状真菌分属于10个属,它们分别为:曲霉属(20 中的1个大洋中有发现,且多数只分离得到1株菌 株,显示这些属的真菌可能只存在于某些特定海 域.通过对3个海域分离到的真菌菌株数和多样 性比较发现,西南印度洋分离获得的菌株最多且 多样性最高,东太平洋和南大西洋分离的菌株数 差异较大,但两者的真菌多样性相差不大. 株)、青霉属(4株)、枝孢属(4株)、枝顶孢属(2 株)、镰刀菌属(2株)、链格孢属(1株)、Hot— 1期 徐炜,等:三大洋深海沉积物样品可培养真菌多样性研究 ・107・ ] ,●● ,● ●● ● , ●,r ● ● ● ● ● ●日 00 g00∽《 图1 采用Neighbour--Joining法构建的基于ITS序列的深海沉积物丝状真菌系统进化树 Fig.1 Neighbour。joining phylogenetic tree constructed w:'th ITS sequences of filamentou s f ̄ngi isolated from deep—sea sediments 括号内代表每种真菌在各个海区的菌株数,其中EP表示东太平洋海域沉积物样品; sA表示南大西洋沉积物样品;SWI表示西南印度洋沉积物样品 应用海洋学学报 34卷 图2深海沉积物中可培养真菌的群落组成 Fig.2 Community composition of deep—sea fungi isolated in this study 表4三大洋海区沉积物中可培养丝状真菌的多样性 Tab.4 Diversity of cultivable filamentous fungi in the sedinlents collected from three ocean areas 可培养丝状真菌菌数/株 真菌属—— 东太平洋 南大西洋 西南印度洋 枝孢属(Cladosporitun) 6 3 青霉属(Penicillium) 2 4 曲霉属(Aspergilh ̄s) 19 一 外瓶霉属(Exophiala) l 一 链格孢属(Alternaria) l 3 麦轴梗霉属(Tritirachium) l 一 肉片齿菌属(Sistotrerna) 一 1 茎点霉属(Phoma) 一 1 侧齿霉属(Engyodontium) 一 一 枝顶孢属(Acrenwnium) 一 一 裂褶菌属(Schizophyllum) 一 1 镰刀菌属(Fusarium) 一 1 毛壳菌属(Chaetomium) 一 腥掷孢菌属(Tilletiopsis) 一 一 Hor mne7n0 一 一 共计 30 l4 注:“一”表示无数据 3讨论 3.1酵母茵多样性 本研究中从三大洋海域15个沉积物样品中分 离得到93株酵母菌与82株丝状真菌,这些真菌属 于18个属.分离获得的两个酵母种海洋红酵母和胶 红酵母是海洋中普遍存在的酵母类群 ' .分离得 到的丝状真菌以子囊菌门真菌为主,担子菌门真菌 图3文氏图显,下3个不同海区所 获得的真菌属问的差异 Fig.3 Venn diagram of different genus obtained fi'om three Ocean areas 较少,这与已发表的深海可培养真菌研究结果相 4 4 一 一 ● 一 1 2 似 邶,。。’ . 3.2子囊菌门真菌多样-眭 深海沉积物中已分离得到的子囊真菌共有粪壳 菌纲(Sordariomycetes)、座囊菌纲(Dothideomyce— tes)、酵母菌纲(Sacchar0mycetes)、囊菌纲(Eurotio— mycetes)和锤舌菌纲(Leotiomycetes)5个 纲 , '。 .本研究中共分离到了其中3个纲的子 囊真菌,比例最高的为散囊菌纲,之后是座囊菌纲和 粪壳菌纲.此外,还有1株真菌属于子囊菌门半知菌 类(DSF一22).在散囊菌纲中最常见的是曲霉属和青 霉属真菌,这类真菌在各个生态系统中都是较为常 见的真菌属,在海洋环境(包括深海环境)和陆地环 境中广泛存在.有研究显示,深海中分离到的一些曲 霉属真菌具有耐高压的典型深海环境适应性特征, 被认为是海洋环境中的内源(土著)真菌¨ ' 。 .座 囊菌纲是一类双囊壁的子囊真菌,深海环境中常被 分离到的这一纲的真菌大多为枝孢属真菌,该属的 真菌在深海环境中常能演化出抗低温、高盐和高渗 透压的特征,被认为是它们可以在深海环境中生存 的关键因素 J.另一个该纲的真菌茎点霉属也常出 现在深海环境中¨ .茎点霉属真菌是海洋动植物 的常见共生菌,在海洋植物(海藻和海草)和无脊椎 动物(海绵等)中都有分离到 .本研究中还获得 了毛壳菌属和链格孢属的真菌,这两类也是常出现 在海洋环境中的真菌.本研究中获得的粪壳菌纲的 真菌主要属是镰刀菌属和枝顶孢属.在深海环境中 该纲真菌所含的种类较少且只存在特定的区域,例 如在深海厌氧区就有分离到具有反硝化功能的海洋 真菌尖孢镰刀菌¨ ,以及在深海热液区环境中分离 获得的枝顶孢菌¨ ,但这两个属的真菌在深海海底 表层沉积物环境中还未见分离获得.本研究的结果 进一步拓展了这一真菌类群在深海环境中的分布信 — 1期 徐炜,等:三大洋深海沉积物样品可培养真菌多样性研究 ・109・ 息,加深了对粪壳菌纲真菌的认识. 3.3担子菌门真菌多样性 本研究从沉积物中仅仅获得4个纲的担子菌真 海环境中的生理特征与生态功能提供了基础.本研 究分离到一株外担菌纲的真菌Tilletiopsis albescens, 该种真菌之前曾在青海湖水生环境中作为耐盐真菌 分离获得 ,由此推测该属真菌具有耐盐性,适宜 在深海极端环境生存. 本研究分离获得的大多数真菌菌株都是已知菌 菌:Tritirachiomycetes、伞菌纲(Agaricomycetes)、外 担菌纲(Ex0has 0mycetes)和微球黑粉菌纲(Mi— crobotryomycetes).微球黑粉菌纲是海洋中的一种常 见的酵母菌,且通常以担孢酵母目中的海洋酵母形 式出现 .已有的研究通过培养和分子生物学方法 均没有发现深海中Tritirachiomycetes纲真菌的相关 株,很多真菌在其他的深海环境中都有报道.Jebaraj 等(2010)指出在厌氧环境下分离真菌更容易得到 一些新的真菌类群¨ .因此,多样化的分离培养方 报道,本研究成果进一步拓展了深海真菌的类群.伞 菌纲的真菌在海洋环境中的报道多见于红树 林¨’“J.尽管不依赖培养的分子生物学研究显示伞 菌纲的真菌类群在深海环境中无处不在 , “J,但 法对于获得更多类群的未知真菌具有重要作用.已 报道免培养的真菌多样性研究结果显示深海沉积物 环境中存在着大量未知的真菌种类,亟待人们去发 现.因此要不断提高真菌分离培养技术,以期获得更 多的真菌菌株,从而进一步加深对深海真菌群落结 构的认识,这将更有助于我们了解深海真菌对极端 环境的适应机制及其与深海生态系统中其他生物类 群的相互作用机制. 是目前只有1种可培养的该纲真菌拟孔菌属是从深 海的热液区环境中分离到的.本研究从深海沉积物 环境中共分离到两种该纲的真菌(Sistotrema brink— mannii和裂褶菌),为进一步研究该真菌类群在深 参考文献: [1] Jones E B G,Sakayaroj J,Suetrong S,et a1.Classiifcation of marine Ascomycota,anamorphic taxa and Basidiomycota[J]. 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Eighty-two filamentous fungal strains were afiliated wifth 1 5 fungal genera,including Aspergillus,Cladosporium, Penicillium,Alternaria,Fusarium,Acremonium,Phoma,Tritirachium,Chaetomium,Exophiala,Engyodontium, Sistotrema.Schizophyllum.Tilletiopsis and Hormonema.Aspergillus accounting for 47.6%of the total filamentous fungal isolates is a dominant genus.The results revealed that a high diversity of fungi in deep—sea sediments of the oceans and have provided a key insight into the community composition of fungi in deep—sea environments. Key words:marine biology;Deep—sea sediments;cultivable fungi;diversity;ITS sequences DOl:10.3969/J.ISSN.2095-4972.2015.01.014 (责任编辑:王静) 

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