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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:步旅网
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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[26] 谢占玲,Fungal diversity study in the deep sea sediments of three oceans by culture—dependent approach xu Wei,LI Guang—wei,HUANG Xiang—ling,LUO Zhu—hua (Key Laboratory of Mairne Biogenetic Resources,Third Institute of Oceanography,SOA,Xiamen 361005,China) Abstract:Deep—sea fungi are an important component of deep—sea microorganisms and play vital roles in deep—sea e— eosystems.However,the knowledge about fungi in deep—sea environments is limited.In this study,15 samples in deep sea sediments from three ocean areas(South Atlantic Ocean,East Paciifc Ocean,and Southwest Indian O— eean)were collected for the diversity study by culture—dependent approach.A total of 175 fungal strains were isola— ted,including 93 yeast strains and 82 filamentous fungi strains.The phylogenetic analysis of ITS sequence of fungal isolates showed that the yeasts belong to 2 species,Rhodosporidium paludigenum and Rhodotorula mucilaginosa. 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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