表型驱动的单细胞基因组技术研究海洋微型蓝细菌的生物多样性及其环境适应机制

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    41876150
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    D0604.生物海洋学与海洋生物资源
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Marine picocyanobacteria,including genera Prochlorococcus and Synechococcus, numerically dominate the picophytoplankton in the world ocean, and make an important contribution to global primary production. Picocyanobacteria have evolved into diverse ecotypes to adapt to different marine habitats. Genomic analyses provide the best interpretation for their widespread distribution. Metagenomics has been widely used to study the microbial community structure and metabolic potential, however it shows the average properties of community and ignores individual heterogeneity. As an important complement technology to metagenomics, single-cell genomics can reveal the high heterogeneity of marine microbes at the individual level, especially for the novel phylogenetic or functional groups. .In this project, we use picocyanobacteria as studied subjects and develop a phenotype-driven single-cell genomics method to investigate their biodiversity and survival strategies. .1) A multi-laser flow cytometry method could determine the relative fluorescence action spectra of picocyanobacteria at the single-cell and population-level. By coupling the fluorescence spectra to statistical analysis, we would like to establish a rapid phenotypic analysis technology for picocyanobacteria..2) Phenotype-driven single-cell genomics provides a solution by using a phenotype-based screen to subsample complex microbial communities in a targeted manner for the isolation and genome sequencing of single cells. It’s helpful for the discovery of novel phylogenetic or functional clades in picocyanobacteria..3) Comparative genomics among close-related species could improve our understanding to the vertical and horizontal evolutionary processes of specific genes among picocyanobacteria. .4)In this project, we put the picocyanobacterial genomics into an environmental context and develop a comprehensive analysis of the environment-phenotype-genotype paradigm to give insights into the adaptations of these marine microbes to local environment and how this is reflected at the genomic level..Through this project, it can help us to understand the biodiversity of picocyanobacteria, and provides new insights into their biogeochemistry contribution in global ocean. It is critical for understanding and modeling the global climate change using obtained information from studied marine cyanobacteria model.
蓝细菌是海洋初级生产力的主要贡献者,在缓解全球气候变化中扮演着重要重要。蓝细菌在全球海洋有着广泛分布,形成适应不同海洋环境的生态类型。基因组学研究为蓝细菌的全球分布提供了最好的诠释。然而,宏基因组学揭示的是群落结构的平均属性,忽视个体异质性。本项目利用表型驱动的单细胞基因组技术,基于流式细胞分析分选平台,建立蓝细菌表型特征分析技术;通过对特殊表型的二次分选,提高单细胞基因组的效率,揭示其高度异质性,并有助于新系统发育类群或功能类群的发现。通过对不同亲缘关系蓝细菌基因组的比较分析,揭示其垂直进化和水平演化过程;并将基因组信息融入环境背景,结合表型特征分析,建立“环境-表型-基因”的有机结合,深入解析蓝细菌的遗传多样性、系统发育、生态位分化在基因组水平上的响应。本项目将为更好理解蓝细菌对于全球气候变化的响应提供重要见解,为蓝细菌的开发利用提供科学依据,对于应对全球气候变化具有重要科学价值。

结项摘要

蓝细菌在全球海洋有着广泛分布,是海洋初级生产力的主要贡献者。项目组利用流式细胞技术,基于细胞大小、色素组成等表型特征,针对性地对蓝细菌进行分离纯化,结合单细胞基因组扩增技术,建立了海洋蓝细菌的微型宏基因组技术,并将其应用于厦门近岸海域聚球藻群落结构和功能基因组学的研究。研究结果表明,基于表型驱动的单细胞基因组扩增技术,不仅能够获得低丰度聚球藻的基因组信息,在更深层次上揭示蓝细菌的遗传多样性;而且在厦门海域的首次应用就发现了131种聚球藻新功能基因,将有助于深入理解聚球藻的遗传多样性与环境适应机制。.在原绿球藻生态型、基因组和环境适应机制方面,项目组在西太平洋和南海分离纯化了67株原绿球藻,并最终获得了15个原绿球藻全基因组草图序列,其中包括13个高光II型(HL-II)和2个低光I型(LL-I)。比较基因组学分析结果表明,原绿球藻存在复杂多样的亚生态型,其中亚生态型附属基因组的进化与核心基因组SNP的进化相互对应,共同推动了各亚类群的进化、分化和环境适应。宏基因组学和单细胞基因组学的结合,在研究原绿球藻亚生态型的生态分布、功能基因差异以及环境适应机制中将发挥重要作用。.在环境适应机制方面,项目组从蓝细菌与异养细菌的相互作用关系入手,通过宏基因组学手段对蓝细菌与异养细菌共培养体系进行分析。异养细菌不仅含有许多氮、磷相关的代谢基因,具有多种营养和能量代谢能力;而且包含多种肽酶、糖苷水解酶以及与黏附相关的基因,可能对于蓝细菌代谢产物的降解与转化具有重要意义。通过对蓝细菌及其共培养微生物的研究,将有助于深入理解海洋蓝细菌的生活方式及其代谢途径,为研究蓝细菌的环境适应机制提供不一样的视角,对于准确理解海洋生物地球化学循环具有重要意义。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Increased microbial and substrate complexity result in higher molecular diversity of the dissolved organic matter pool
微生物和底物复杂性的增加导致溶解有机物质池的分子多样性更高
  • DOI:
    10.1002/lno.12206
  • 发表时间:
    2022-08
  • 期刊:
    Limnology and Oceanography
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Qi Chen;Christian Lønborg;Feng Chen;Michael Gonsior;Yunyun Li;Kai Tang;Chen He;Jiaxin Chen;Yu Wang;Quan Shi;Nianzhi Jiao;Qiang Zheng
  • 通讯作者:
    Qiang Zheng
Coupling Between Carbon and Nitrogen Metabolic Processes Mediated by Coastal Microbes in Synechococcus-Derived Organic Matter Addition Incubations
聚球藻衍生有机物添加孵化过程中沿海微生物介导的碳氮代谢过程之间的耦合
  • DOI:
    10.3389/fmicb.2020.01041
  • 发表时间:
    2020-05-25
  • 期刊:
    FRONTIERS IN MICROBIOLOGY
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Xie, Rui;Wang, Yu;Zheng, Qiang
  • 通讯作者:
    Zheng, Qiang
Top-down controls on nutrient cycling and population dynamics in a model estuarine photoautotroph-heterotroph co-culture system
河口光合自养-异养共培养模型模型中养分循环和种群动态的自上而下控制
  • DOI:
    10.1111/mec.15750
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    MOLECULAR ECOLOGY
  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    Zheng Qiang;Lin Wenxin;Wang Yu;Xu Dapeng;Liu Yanting;Jiao Nianzhi
  • 通讯作者:
    Jiao Nianzhi
You Exude What You Eat: How Carbon-, Nitrogen-, and Sulfur-Rich Organic Substrates Shape Microbial Community Composition and the Dissolved Organic Matter Pool
你吃的东西会散发出:富含碳、氮和硫的有机底物如何塑造微生物群落组成和溶解的有机物池
  • DOI:
    10.1128/aem.01558-22
  • 发表时间:
    2022-11
  • 期刊:
    Applied and Environmental Microbiology
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    Jinxin Xu;Qi Chen;Christian Lønborg;Yunyun Li;Ruanhong Cai;Chen He;Quan Shi;Yuxing Hu;Yimeng Wang;Nianzhi Jiao;Qiang Zheng
  • 通讯作者:
    Qiang Zheng
Metagenomic and metaproteomic insights into photoautotrophic and heterotrophic interactions in a Synechococcus culture
对聚球藻培养物光合自养和异养相互作用的宏基因组和宏蛋白质组学见解
  • DOI:
    10.1128/mbio.03261-19
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    mBio
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Zheng Qiang;Wang Yu;Lu Jiayao;Lin Wenxin;Chen Feng;Jiao Nianzhi
  • 通讯作者:
    Jiao Nianzhi

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中国海及邻近区域碳库与通量综合分析
  • DOI:
    10.1360/n072018-00014
  • 发表时间:
    2018-09
  • 期刊:
    中国科学:地球科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    焦念志;梁彦韬;张永雨;刘纪化;张瑶;张锐;赵美训;戴民汉;翟惟东;高坤山;宋金明;袁东亮;李超;林光辉;黄小平;严宏强;胡利民;张增虎;王龙;曹纯洁;罗亚威;骆庭伟;王南南;党宏月;王东晓;张偲
  • 通讯作者:
    张偲

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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