南极半岛一种新的抗辐射微生物的发现及其生理生化特性研究

范克科 万一

研究背景

随着人类对地球的不断探索，人们在原本被视为生命禁区的极端环境中发现了形形色色的微生物，这些微生物统称为极端微生物，包括嗜热、嗜冷、嗜酸、嗜碱、嗜压、嗜金、抗辐射、耐干燥和极端厌氧等多种类型。极端的温度、盐度、压力环境使得微生物在基因、代谢、酶特性等方面进化具有了独特的防御机制。

南极地区气候环境极其恶劣，有世界寒极、风极和旱极之说。尤其是春季南极臭氧减少，使到达地面的辐射明显增加。南极极昼期间晴天的电离与紫外辐射强度非常大，中山站中午前后总辐射可达到850 W/m2 以上，最大瞬时强度达到1 093 W/m2。尽管如此，这里却存在着丰富的极端微生物资源。过去科学家对极地微生物的研究主要集中在嗜冷、抗旱、抗重金属等方面，而针对南极抗辐射微生物的研究鲜有报道。故作者选择对南极半岛微生物的抗辐射特性进行研究，为人类开发极地抗辐射微生物资源提供充实的资料。

研究目标

对南极半岛抗辐射微生物进行筛选、分离和鉴定，尝试在极寒环境中发现有抗辐射特性的微生物。

研究极寒环境下的抗辐射微生物的生理生化特性。

研究思路

查阅书籍、文献。通过查阅专业书籍掌握微生物的富集培养、分离、筛选、纯化、分类鉴定及生理生化特性等基础知识，了解目前国内外南北极微生物研究的现状与进展。

实验探究与分析。土壤样本的采集、处理、运输、保存、分析等在专业人员的指导下进行，按照土壤微生物及其理化性状分析等操作手册获得实验数据并对数据进行分析和总结。

研究内容

从南极半岛附属岛屿土壤中定点采集微生物样本， 经过钴60 辐射、富集培養、分离、纯化、鉴定，筛选出1 株抗辐射细菌菌株H-1。经过16SrRNA 测序和生理生化特性检测，确定该菌株为奇异球菌属的一个未报道的新种。菌株H-1 在15℃、20℃的温度条件下生长良好，最适培养基为PCA，对盐没有耐受性，可代谢产生过氧化氢酶、酯酶和脲酶。H-1 的紫外辐射耐受程度显著高于其对照菌株。

结果分析

抗辐射奇异球菌是一种红色、不产孢子的革兰氏阳性细菌，到目前为止，至少已分离出50株奇异球菌属的菌株，包含嗜常温、嗜热、嗜冷、抗辐射的个体。目前对抗辐射奇异球菌的功能研究表明：一是抗辐射奇异球菌能够存在于极端干燥环境中;二是抗辐射奇异球菌能在高达50 kGy 的辐射剂量下生存，且抗辐射奇异球菌对紫外辐射（254 nm）也具有极强的抗性;三是具有的超强修复系统能快速有效地修复因环境胁迫造成的DNA 和蛋白质的损伤。正因抗辐射奇异球菌对电离辐射、紫外辐射、干燥、DNA 损伤试剂和氧化剂等均表现出极强的抗性，自其被发现以来，引起了全世界许多科学家的兴趣和关注，并一直在开展对该菌的系统研究。

根据本文基于16SrRNA 序列相似性与系统发生分析结果，说明本研究所筛选的菌株与抗辐射奇异球菌属细菌之间有着比较近的亲缘关系，而且该菌株与所有已知分类地位的种属之间的16SrRNA 同源相似性均低于97%，生理生化特性检测数据与对照菌株存在显著差异，确定该菌株所代表的是抗辐射奇异球菌属的一个之前未曾被发现的新种。

经过对菌株形态学指标进行鉴定，菌株在25℃以上的温度范围不能生长，在15℃、20℃的条件下生长良好，保持了低温微生物的性质。该菌株最适培养基为PCA，对盐基本没有耐受性。该菌株对于电离辐射与紫外辐射耐受程度显著高于一般微生物。对该菌株及其对照菌株进行生理生化性能的检测发现，二者均为革兰氏染色阳性，其生长过程中均会产生过氧化氢酶、酯酶和脲酶。

基于H-1 菌株对于多种辐射具有极高抗性这一现象，结合生物信息学分析方法对该菌株基因组进行分析，有望在短期内发现重要功能基因。在此基础上，利用该菌株具有极强的抗电离与紫外辐射这一特性，克隆其相关的基因并应用于生物工程。同时，有可能通过基因工程手段，制备抗辐射蛋白质作为辐射防护剂，从而通过对菌种的改造将其应用到放射性污染严重的生态修复中，这将为人类利用自然提供强有力的理论依据和技术支撑。

结论

常年低温、冰封、干旱、强辐射等条件构成了南极的极端环境。在这里存在着大量未知的微生物，它们存在着巨大的潜在科研和生态价值，对南极抗辐射微生物的研究显得格外重要。

从南极半岛地区采集的微生物样本经过筛选、分离，鉴定出1 株抗辐射细菌菌株。经过16SrRNA 基因序列分析该菌株为奇异球菌属（Deinococcussp.）的物种，综合生理生化特性检测结果，可确认该菌株是具有抗辐射功能的新种，其对于电离与紫外辐射的耐受度显著高于一般微生物。对该新菌株的部分生理生化特性进行研究发现，该菌株在15℃、20℃的低温条件下生长良好，最适培养基为PCA，对盐没有耐受性，与对照菌株D.alpinitundrae 的生理生化特性有明显区别，生长过程中会代谢产生过氧化氢酶、酯酶和脲酶，紫外辐射耐受程度显著高于其对照菌株。

本研究从南极半岛筛选的抗辐射低温微生物菌株是有特殊功能和经济价值的微生物资源，有待于进一步开发其实际应用潜力。

展望

抗辐射奇异球菌是迄今为止地球上发现的最抗辐射的生物之一，其对电离辐射、紫外线、干燥、强氧化剂和一些化学诱变剂显示惊人的抗性。目前认为，奇异球菌的抗辐射机制在于其具有DNA 的高效损伤修复机制，对自由基的有力清除能力，以及独特的细胞壁和染色体结构。

抗辐射奇异球菌能够在几十个小时内准确无误地修复由辐射引起的几百个双链DNA 碎片。研究表明， 这与其具有两种高效的DNA 损伤修复机制有关：切除修复和重组修复。目前已经发现在抗辐射奇异球菌中存在更快速、高效的DNA 修复的RecA 酶。此外，电镜观察发现，致密有序双链DNA 碎片（DSBs）环状堆积结构利于DNA 的重组修复。

研究表明，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT） 和过氧化物酶（POD）能有效清除细胞内的超氧阴离子自由基、羟自由基和过氧化氢等对细胞毒害作用极强的活性氧自由基。辐射的间接作用能在细胞内产生大量的自由基，而研究发现，有些抗辐射奇异球菌细胞中的SOD 的活性、CAT 酶活性均比较高， 这无疑也是其辐射抗性高的一个重要原因。有些抗辐射奇异球菌具有独特的细胞壁结构，猜测可能与其特殊的抗辐射功能相关。三维电子显微技术显示， 该菌具有被称为HPI 层的规则对称的表面层，HPI 层紧密地与其细胞壁结合在一起，其外还有相当厚而密的糖衣透过HPI 层间隙锚于外层细胞壁上，并覆盖HPI 层。

后续研究将从上述几方面入手，重点开展菌株抗辐射机制的研究。此外，还将展开细菌全细胞脂肪酸分析鉴定、细菌磷酸类脂分析等生理生化项目，并对该新菌株进行全基因序列测定、菌株代谢产物成分分析、菌株产红色素种类及结构等方面进行全面研究。

专家评语

该研究内容完整，思路清晰，结论可靠，创新性明显。主要创新点有：筛选出了一种具有抗辐射特性的微生物，获得了奇异球菌属的一个新种。建议按照新物种发表要求组合形态特征图示，并探索不同辐射的影响。