项目名称乔治王岛地区低温微生物物种和基因资源调查与功

陈波中国极地研究中心科技部基础平台条件项目子项目极地微生物菌种资源标准化整理整合科技部973计划项目极端微生物及其功能利用的基础研究子项目—极地极端微生物的生物多样性及潜在应用价值评估（本项目符合中国极地科学中长期发展规划的优先发展领域）现场执行人：陈波中国极地研究中心（越冬考察）周明扬山东大学生命科学院微生物技术国家重点实验室（越冬考察）考察背景：南极地区各类生境微生物推动着陆地和海洋系统的氧、碳和其它必需元素的循环。它们长期适应极地极端寒冷和干燥、强烈辐射变化等特殊环境，在湖泊、海洋、沉积、土壤及其冰冻环境中形成了各种代谢水平和分子水平的适应机制，同时存在与其他物种间的协同或拮抗等相互作用机制，其生存环境的特殊性和多样性造就了他们经过长期适应形成的丰富的物种多样性、代谢多样性和遗传多样性，并在生理/代谢适应和代谢产物上表现独特的多样性。生活在南极特殊生境中的微生物蕴涵着生命进化历程的丰富信息，代表着生命对于环境的适应能力，是生物遗传和功能多样性非常丰富的资源宝藏。乔治王岛地区为地处南纬62°左右的岛屿地形，气候条件相对南极大陆偏暖而降水丰富，动植物区系比较丰富，过去若干年来零星的微生物学调查和分析表明该地区的土壤、植被和近岸海洋微生物多样性较高，物种资源丰富是该地区的重要区系特征，本项目将结合我国极地科学中长期发展规划，综合开展该地区湖泊、鸟类栖息地、植被土壤、潮间带、近岸海洋沉积环境和海洋生物共附生环境等特殊生境的微生物多样性、基因资源多样性、产物多样性方面开展系统调查并在系统生物活性方面开展功能评价和分析。南极低温微生物资源的调查和研究多年以来一直是国际学术界高度关注的问题，也是ATCM体系在国际条法领域一直存在争议的重要领域。由于南极微生物资源背后存在重大的经济利益、技术权益的竞争，发达国家特别是其中的主要南极考察国家近年来加快了该领域的调查和技术投入。我国在该领域的发展时间不长但认知水平不断提高，需要在资源、技术层面采取有效措施推动我国的南极生物资源和生物技术领域发展，为我国南极的科学、技术和外交权益服务。考察内容（1）南极乔治王岛地区湖泊环境微生物多样性调查与宏基因组文库的构建依托中国南极长城站的实验室及其后勤支持系统，利用冬季湖泊结冰后以冰钻开孔及夏季湖泊作业平台（极地中心专门设计制作），开展法尔兹半岛地区燕鹅湖、银镜湖、长湖、团结湖、格鲁玻科、月牙湖等8-10个湖泊的水体和湖相沉积物样品的采集，实施湖泊环境基于16SrDNA分子序列分析的微生物多样性研究、可培养微生物的现场分离和纯化，并选择1-2个沉积层较厚、微生物数量和组成垂直分布差异显著的沉积样品进行全基因组DNA提取，结合长城站实验室的条件和国内实验室的后续分析技术实现微生物多样性分析及构建宏基因组文库。现场分离培养的纯株分别按4℃和-80（2）鸟类栖息地/植被/土壤环境微生物资源与多样性调查采集乔治王岛地区具有典型生境特征的鸟类栖息地/植被/土壤等环境样品，采用非培养方法（culture-independent）开展微生物多样性研究，同时采用多套培养基组合分离其中的可培养菌株，分别按4℃和-80℃保藏，运回国内实验室后将按照微生物菌株资源技术规范进行标准化整理，纳入科技部基础平台条件计划的国家E平台数据库。（3）潮间带和近海海洋沉积环境微生物资源与多样性调查采集潮间带和近海海洋沉积物样品，结合非培养技术和可培养技术获得春培养菌株和多样性分析信息，保藏和标准化操作同前。（4）海洋生物共附生微生物资源调查海洋生物共附生微生物具有生物种间协同或拮抗的相互作用机制，是生物个体和群落间化学信号和代谢相互作用的纽带，具有独特的代谢产物多样性特征及活性先导化合物的发展潜力。本项目将采集海域中重要海洋动物（如贝类、腔肠动物、海绵动物等）和植物（如囊藻等定生藻类和浮游藻类）样品，结合可培养和非培养技术开展共附生微生物的分离和分子多样性调查，菌株和提取的DNA样品的保藏及其后续操作同前。（5）乔治王岛地区低温微生物及其产物资源功能评价的前期样品制备分阶段对分离的纯株进行初步摇瓶发酵，发酵液初提物经超低温或冷冻干粉制备保藏，带回国内实验室后将分批开展活性筛选和分析，重点针对水解酶类和裂合酶类的新型酶制剂的筛选研究，以及针对以抗菌、重大疾病（特别是糖尿病、神经退行性疾病和恶性肿瘤等）为目标的药物先导化合物的系统活性筛选研究，了解该地区特殊环境微生物的次生产物多样性及其活性功能，后续在国内继续开展药源微生物及其活性先导物的功能评价。.方法和手段主要野外采样设备：全部由极地中心备带，主要包括：湖相沉积专用柱状采样器、小型重力管采样器、MARKII冰芯钻、汽机油动力JIFFY冰钻、采水器、小型底拖网具等利用湖相沉积专用柱状采样器和/或小型重力采样器夏季使用特制的湖泊采样作业平台/冬季以冰钻开孔后采集湖相沉积柱样品，现场快速分样并无菌包装带回站。利用小型重力采样器和/或小型抓斗采集长城站临近水域的浅海和潮间带沉积物样品，现场快速分样并无菌包装带回站；利用采水器采集近岸海水和湖水样品，以预先灭菌的样品瓶分装带回站处理；利用插管方法采集鸟类栖息地/冻土/植被下土壤样品，现场分装带回实验室；利用小型底托网具采集潮间带和浅海底栖动植物样品，以预先灭菌的样品瓶或袋装容器分装带回站处理；在长城站实验室利用若干组合培养基和无菌操作设备开展上述样品的分离培养和纯化操作；全基因组DNA样品由预先准备的制剂盒按规程操作提取，样品4℃冷藏或-80℃超低温保藏；样品的细菌多样性信息将通过后续的长城站实验室装备：根据十五能力建设项目的建设计划，26次对将长城站实验室的内部结构和功能设备进行全面的安装调试和运行，主要包括：：实验室操作台架结构件的安装、低温生物培养室的安装调试和运行、无菌操作设备/低温超低温保藏设备/培养设备/显微观察设备/基础光谱设备/定量称量和样品处理制备设备/监测配套设备/部分采样器械等的安装调试和运行。其它配套设备：本项目将在上述功能设备配置的基础上，根据本项目越冬调查和实验室处理分析的工作需要进一步配备有关的功能设备/样品处理设备/试剂/野外专用采样设备，以实现全面配套和分析操作。工作计划夏季计划：2009年12月-2010年2月，根据长城站实验室结构和设备的安装调试工程情况灵活安排附近的野外作业：完成1-2个湖泊的湖水和沉积柱状样品的采集、分样和全基因组DNA的提取样品的制备；开展长城站临近地区的鸟类栖息地、植被土壤、潮间带、近岸海洋沉积环境和海洋生物共附生样品的初步采集，在长城站实验室开展可培养和非培养操作，初步分离菌株样品和制备样品随雪龙船运回国内实验室，以便后续分析。冬季计划：2010年3-6月根据气象条件分步开展附近湖泊、植被、近岸海域的进一步样品采集；根据不同样品类别进行处理，使用原位水样制备组合培养基，对采获的样品及时开展菌株的组合分离和纯化和保藏操作；开展酶类的初步筛选和分析，为连接国内实验室的后续分析做好样品数据准备；使用原位水样制备组合培养基，开展初步摇瓶发酵培养，制备样品初提物并分别按规范保藏；2010年6-7月，为南极的极夜，野外作业暂不安排，以持续的室内处理和分析为主；2010年8-10月根据湖泊结冰厚度确定湖相沉积物采样的点位，主要安排离长城站较远端的湖泊样品的采集；安排鸟类栖息地/潮间带/近岸海洋沉积环境/海洋生物共附生样品的采集和处理，并及时开展室内的处理和分析操作；持续开展可培养菌株的组合分离和纯化操作；持续开展摇瓶发酵培养，制备样品初提物并分别按规范保藏；整理环境观测数据/菌株性状数据/编码菌株图像数据/初提物编码数据，为后续研究分析做好资料准备；2010年11-12月根据前期样品和制备情况补充采样；持续实施非培养和可培养技术操作；进一步整理样品和数据；样品和设备包装阶段，做好回国准备。后勤支持要求：湖泊作业的后勤支持：主要是通讯设备、备用食品、车辆（夏季需用越野车，冬季使用雪地摩托车、雪地车，在可行车路段接送），并可能需要帐篷（3人帐篷2顶及其配套保暖防潮用品），防水防寒连体服装等；近岸海上作业主要在夏季开展，需用橡皮艇、通讯设备、防水连体服装；根据采样位置可能要寻求外国考察站的合作和支持，具体情况将视站间事先联系商议情况在可行的条件下