《原核微生物的演變》課件

原核微生物的演變：生命起源與多樣性探索探索地球上最古老、最多樣的生命形式從原始海洋到現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)的演化歷程導(dǎo)論：原核生物的重要性地球最早生命35億年前已存在多樣性主體占地球物種總數(shù)的主要部分生態(tài)支柱維持地球生物地球化學(xué)循環(huán)原核生物的定義1兩大域細(xì)菌和古菌2單細(xì)胞微生物簡(jiǎn)單細(xì)胞結(jié)構(gòu)3無核膜DNA直接暴露于細(xì)胞質(zhì)早期地球環(huán)境高溫環(huán)境頻繁火山活動(dòng)和隕石撞擊還原性大氣甲烷、氨、氫氣、水蒸氣原始海洋富含有機(jī)分子的"原始湯"能量來源閃電、紫外線、熱能生命起源理論概述湯池假說原始海洋中有機(jī)分子聚集形成生命RNA世界假說RNA既是遺傳物質(zhì)又是催化劑礦物催化進(jìn)化模型黏土礦物表面促進(jìn)分子組裝最早的化石證據(jù)135億年前澳大利亞發(fā)現(xiàn)的微生物席狀結(jié)構(gòu)234億年前南非微生物含硫代謝痕跡328億年前光合微生物產(chǎn)氧證據(jù)原核生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁肽聚糖或假肽聚糖結(jié)構(gòu)提供形態(tài)和保護(hù)細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層調(diào)控物質(zhì)進(jìn)出核質(zhì)區(qū)無膜包被的DNA遺傳信息中心基因組結(jié)構(gòu)特征環(huán)狀DNA單一閉合環(huán)狀染色體高度壓縮的DNA分子質(zhì)粒額外的小型環(huán)狀DNA攜帶非必需但有益基因基因組特點(diǎn)緊湊高效基因密度高很少有內(nèi)含子遺傳變異機(jī)制突變DNA序列隨機(jī)改變重組遺傳物質(zhì)片段交換水平基因轉(zhuǎn)移不同物種間基因交換繁殖與復(fù)制DNA復(fù)制遺傳物質(zhì)精確復(fù)制細(xì)胞質(zhì)分裂細(xì)胞質(zhì)均等分配細(xì)胞壁形成新細(xì)胞壁合成完全分離兩個(gè)相同子細(xì)胞形成代謝多樣性光合作用利用光能合成有機(jī)物化能合成利用無機(jī)物氧化產(chǎn)生能量自養(yǎng)型固定CO?合成有機(jī)物異養(yǎng)型分解現(xiàn)成有機(jī)物獲取能量極端環(huán)境適應(yīng)嗜熱菌在80-110℃熱泉中生長(zhǎng)嗜冷菌在南極冰層中生存嗜鹽菌在超高鹽度環(huán)境中繁衍極端pH耐受菌在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿環(huán)境中生存共生與互作關(guān)系微生物間及微生物與高等生物建立的多種互惠共生關(guān)系古菌domain的特點(diǎn)1977發(fā)現(xiàn)年份CarlWoese確立三域系統(tǒng)60%與真核生物相似度基因表達(dá)機(jī)制更接近真核生物122℃最高生存溫度部分古菌能在超高溫環(huán)境生存細(xì)菌domain的多樣性門類代表成員主要特征變形菌門大腸桿菌革蘭氏陰性厚壁菌門金黃色葡萄球菌革蘭氏陽性藍(lán)細(xì)菌門集胞藻光合作用放線菌門鏈霉菌產(chǎn)抗生素光合細(xì)菌的演化135億年前無氧光合細(xì)菌出現(xiàn)228億年前藍(lán)細(xì)菌進(jìn)化產(chǎn)生氧氣324億年前大氧化事件開始418億年前光合細(xì)菌內(nèi)共生形成葉綠體固氮微生物自由生活型藍(lán)細(xì)菌根瘤菌放線菌其他固氮細(xì)菌固氮微生物通過將大氣中穩(wěn)定的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為生物可利用的氨，支持生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)原核生物的生態(tài)角色分解者分解有機(jī)物釋放養(yǎng)分元素循環(huán)促進(jìn)碳氮硫等生物地球化學(xué)循環(huán)生態(tài)平衡調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性原核生物與氣候變化50%海洋初級(jí)生產(chǎn)力微小藍(lán)細(xì)菌貢獻(xiàn)全球一半光合作用30%甲烷產(chǎn)生產(chǎn)甲烷古菌釋放強(qiáng)效溫室氣體5千萬噸年固氮量微生物固定大氣氮?dú)饩S持生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化樹與系統(tǒng)發(fā)育16SrRNA分析保守核糖體RNA作為"分子鐘"序列比對(duì)DNA序列相似性反映演化關(guān)系演化距離核苷酸變異率估算物種分化時(shí)間水平基因轉(zhuǎn)移機(jī)制接合作用直接細(xì)胞接觸傳遞DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)作用病毒媒介攜帶宿主DNA轉(zhuǎn)化作用吸收環(huán)境中裸露DNA3抗生素抗性演化抗生素發(fā)明1928年青霉素發(fā)現(xiàn)抗性出現(xiàn)臨床使用后迅速產(chǎn)生耐藥菌株抗性擴(kuò)散抗性基因通過質(zhì)粒水平傳播多重耐藥超級(jí)細(xì)菌威脅現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生物技術(shù)應(yīng)用基因工程重組DNA技術(shù)生產(chǎn)蛋白質(zhì)工業(yè)發(fā)酵食品、藥物、化學(xué)品生產(chǎn)環(huán)境修復(fù)降解污染物、處理廢水農(nóng)業(yè)應(yīng)用生物肥料、生物農(nóng)藥原核生物與人類健康擬桿菌門厚壁菌門變形菌門放線菌門其他人體微生物組影響免疫功能、營(yíng)養(yǎng)吸收和代謝健康病原微生物進(jìn)化宿主特異性識(shí)別特定宿主細(xì)胞受體毒力因子分泌毒素和入侵酶免疫逃避抵抗宿主防御系統(tǒng)進(jìn)化的分子機(jī)制DNA修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)堿基切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)基因表達(dá)調(diào)控操縱子系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控反饋抑制表觀遺傳學(xué)DNA甲基化組蛋白修飾表觀基因組維持原核生物的能量代謝有氧呼吸使用氧氣作為最終電子受體ATP產(chǎn)量高(~38分子)完全氧化有機(jī)物無氧呼吸使用其他無機(jī)物作電子受體如硝酸鹽、硫酸鹽等ATP產(chǎn)量中等發(fā)酵有機(jī)分子作電子受體無需外部電子受體ATP產(chǎn)量低(2分子)環(huán)境適應(yīng)策略生物膜形成多細(xì)胞協(xié)作保護(hù)群體休眠狀態(tài)芽孢形成抵抗惡劣環(huán)境應(yīng)激反應(yīng)熱休克蛋白與壓力應(yīng)對(duì)滲透壓調(diào)節(jié)積累相容溶質(zhì)平衡濃度群體行為信號(hào)分子分泌釋放自誘導(dǎo)物質(zhì)密度監(jiān)測(cè)感知群體大小基因表達(dá)改變激活群體特異性基因協(xié)調(diào)行為生物膜形成、毒力表達(dá)原核生物的生物地理學(xué)微生物種群分布受環(huán)境條件、遷移能力及歷史因素共同影響系統(tǒng)發(fā)育分析方法序列比對(duì)多序列比對(duì)識(shí)別同源區(qū)域保守位點(diǎn)和變異位點(diǎn)分析進(jìn)化模型核苷酸替換模型最大似然法貝葉斯推斷進(jìn)化樹構(gòu)建鄰接法最大簡(jiǎn)約法統(tǒng)計(jì)支持度檢驗(yàn)原核生物的季節(jié)性變化藍(lán)細(xì)菌放線菌變形菌微生物群落結(jié)構(gòu)隨季節(jié)性溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)變化動(dòng)態(tài)調(diào)整極端環(huán)境微生物深海熱泉耐高溫高壓化能自養(yǎng)硫化物氧化干旱沙漠極低水分環(huán)境UV輻射防護(hù)胞內(nèi)水分保持極地冰層低溫適應(yīng)防凍蛋白冰晶形成調(diào)控原核生物與礦物形成鐵礦形成鐵氧化菌催化Fe2?氧化沉淀碳酸鹽沉積微生物代謝改變局部pH促進(jìn)沉淀硫循環(huán)硫化物氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生硫沉積原核生物的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)環(huán)境感應(yīng)感受器蛋白檢測(cè)外部信號(hào)信號(hào)傳遞磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)反應(yīng)調(diào)控激活或抑制特定基因表達(dá)適應(yīng)響應(yīng)細(xì)胞生理或行為變化質(zhì)粒的進(jìn)化意義2可移動(dòng)遺傳單元獨(dú)立于染色體復(fù)制抗性基因載體攜帶抗生素耐藥基因水平基因傳播通過接合轉(zhuǎn)移至其他細(xì)胞代謝多樣性攜帶額外代謝途徑基因原核生物的形態(tài)多樣性細(xì)胞形態(tài)與生態(tài)適應(yīng)、生活方式和代謝特性密切相關(guān)病毒-宿主相互作用1吸附病毒特異性識(shí)別宿主表面受體2注入病毒基因組進(jìn)入宿主細(xì)胞3復(fù)制利用宿主機(jī)器合成病毒組分4釋放宿主細(xì)胞裂解釋放新病毒粒子原核生物的生態(tài)位原核生物通過代謝和生理多樣性占據(jù)幾乎所有可能的生態(tài)位基因組進(jìn)化功能獲得新基因水平獲取基因重排染色體結(jié)構(gòu)變化基因丟失非必需基因刪除原核生物的繁殖策略時(shí)間(小時(shí))細(xì)胞數(shù)量(對(duì)數(shù))指數(shù)增長(zhǎng)與快速適應(yīng)能力是原核生物生存競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)生物多樣性保護(hù)1微生物資源調(diào)查全面評(píng)估區(qū)域微生物多樣性2菌種保藏建立微生物資源庫3生境保護(hù)維護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)完整性4可持續(xù)利用開發(fā)微生物資源潛力人工模擬進(jìn)化實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化連續(xù)傳代培養(yǎng)多代跟蹤遺傳變化定向進(jìn)化施加選擇壓力篩選特定性狀進(jìn)化動(dòng)力學(xué)測(cè)量適應(yīng)速率分析突變累積原核生物與氣候適應(yīng)溫度適應(yīng)蛋白穩(wěn)定性和膜流動(dòng)性調(diào)整水分脅迫滲透調(diào)節(jié)和休眠機(jī)制碳循環(huán)變化碳固定和分解速率調(diào)整進(jìn)化生態(tài)學(xué)視角資源競(jìng)爭(zhēng)有限資源下的適應(yīng)性淘汰合作共存互惠關(guān)系促進(jìn)共同進(jìn)化生態(tài)位分化減少競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)多樣性維持原核生物的分子鐘1%每百萬年變異率16SrRNA基因相對(duì)保守35億演化年齡原核生物出現(xiàn)時(shí)間4倍變異速率差異非必需基因vs保守基因生物地球化學(xué)循環(huán)大氣儲(chǔ)庫氣體形式元素存儲(chǔ)固定過程微生物轉(zhuǎn)化為生物可用形式轉(zhuǎn)化循環(huán)氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化元素形態(tài)釋放返回分解作用釋放回大氣或水體原核生物的應(yīng)激響應(yīng)熱休克反應(yīng)熱休克蛋白快速表達(dá)DNA損傷響應(yīng)SOS系統(tǒng)激活修復(fù)損傷氧化脅迫防御抗氧化酶系統(tǒng)清除自由基營(yíng)養(yǎng)脅迫嚴(yán)格反應(yīng)調(diào)節(jié)代謝節(jié)約跨域基因轉(zhuǎn)移細(xì)菌能量代謝和抗生素基因古菌DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄基因真核生物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝調(diào)控系統(tǒng)發(fā)育重建方法最大似然法基于統(tǒng)計(jì)模型評(píng)估進(jìn)化樹概率計(jì)算量大精度高貝葉斯推斷利用先驗(yàn)知識(shí)生成概率分布評(píng)估系統(tǒng)發(fā)育不確定性分子鐘校準(zhǔn)化石記錄參考估算分化時(shí)間構(gòu)建時(shí)間樹原核生物與人工智能序列分析深度學(xué)習(xí)識(shí)別功能元件基因預(yù)測(cè)算法進(jìn)化模擬計(jì)算模型預(yù)測(cè)演化路徑適應(yīng)性景觀分析微生物組解析復(fù)雜數(shù)據(jù)集挖掘物種互作網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建未來研究方向單細(xì)胞組學(xué)個(gè)體細(xì)胞水平分析微生物組計(jì)算整合大數(shù)據(jù)解析互作合成生物學(xué)人工設(shè)計(jì)微生物基因組體外進(jìn)化指導(dǎo)進(jìn)化獲得新功能新發(fā)現(xiàn)與挑戰(zhàn)未培養(yǎng)微生物99%微生物難以實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)元基因組學(xué)直接從環(huán)境中提取分析DNA功能預(yù)測(cè)基于序列推斷生物學(xué)功能生態(tài)功能驗(yàn)證驗(yàn)證預(yù)測(cè)功能在自然環(huán)境中的作用教育與科普意義提高公眾對(duì)微生物多樣性與生態(tài)重要性的認(rèn)知是科普教育的關(guān)鍵目標(biāo)倫理與社會(huì)影響基因改造人工設(shè)計(jì)改造微生物基因組生物安全防止改造微生物逃逸環(huán)境科學(xué)責(zé)任研究與公眾利益平衡全球微生物資源已命名菌種已檢測(cè)未培養(yǎng)未發(fā)現(xiàn)微生物保存和研究微生物多樣性對(duì)人類未來面臨的環(huán)境、醫(yī)療和食品安全挑戰(zhàn)至關(guān)重要跨學(xué)科研究生態(tài)學(xué)群落結(jié)構(gòu)與功能遺傳學(xué)基因組與轉(zhuǎn)錄組2生物化學(xué)代謝途徑與酶學(xué)地球科學(xué)地質(zhì)微生物與元素循環(huán)生物信息學(xué)數(shù)據(jù)分析與建模原核生物：生命的奇跡-20℃低溫生存南極微生物在