节杆菌是一类广泛存在于土壤中的放线菌,具有高效降解有机污染物、生物固氮、合成生物燃料等多种生物学功能,是一类极具应用价值的微生物。另外,节杆菌还具有极强的抗逆能力,能够长期忍受营养缺乏、温度骤变等多种胁迫,因此,在深层土壤、冰川、沙漠等多种极端环境中均发现有它的存在。节杆菌的强抗逆能力与其形态的变化(杆状、球形、类似菌丝体状、菌丝体状)是直接相关的。目前,国内外对节杆菌的研究多集中于污染物降解方面及基因组学方面。由于节杆菌遗传特殊性,其可被用于遗传改造的工程质粒直到2005年才被报道,因此人们对节杆菌遗传发育方面的研究少之甚少。截止目前,调节节杆菌多形性分裂发育的功能基因尚未见报道。本论文以分离自天山一号冰川的节杆菌A3和分离自青藏高原冻土中的节杆菌Ar51为研究对象,通过基因组测序、生物化学、遗传学分析鉴定,最终发现了两个与调节细胞分裂发育相关的新基因和一个已知分裂发育相关基因却具有调控节杆菌多形性发育的新生物学功能,探讨了它们各自在节杆菌细胞分裂发育中的作用机理,取得以下研究成果:1、揭示FtsZ对电荷非常敏感且具有影响节杆菌多形性发育的新功能。体外聚合研究发现节杆菌FtsZ对电荷效应非常敏感——电荷效应相对较强其丝状聚合能力相对较弱,而电荷效应相对较弱时其丝状聚合能力较强;同时发现节杆菌FtsZ聚合速度非常缓慢,钾离子是它聚合成长丝状物的必需条件。通过研究生长在不同盐浓度下节杆菌FtsZ的定位(万古霉素荧光染色),发现正常生境下节杆菌体内Z环形成概率为1个/菌,此时菌体呈杆状;高盐环境下节杆菌FtsZ无法有效聚合(Z环形成概率为0-1个/菌),此时菌体呈类似菌丝体状;低盐或无盐环境下节杆菌无法生长,揭示FtsZ对电荷非常敏感,与其它微生物中FtsZ功能相比,节杆菌FtsZ还具有与节杆菌多形性相关的新生物学功能。2、发现sfi是控制节杆菌分裂过程中隔膜形成的一个关键基因。通过免疫共沉淀实验,发现了一个与节杆菌分裂发育紧密相关的新基因(将其命名为sfi)。遗传学研究表明:和野生型节杆菌相比,sfi基因缺失突变体生长速度较慢、细胞长度较短且分裂过程中细菌隔膜形成较困难,回补sfi基因后可恢复与野生型节杆菌相似的表型,揭示sfi是控制节杆菌分裂过程中隔膜形成的一个关键基因。3、发现FzpA是一类存在于放线菌中的新型中间纤维类似蛋白,它具有促进FtsZ体内聚合的功能。通对节杆菌中Coil-Coil结构域进行高通量筛选并结合生物化学方法,发现节杆菌A3中存在一种特殊的可以自我聚合形成网状结构的蛋白(将其命名为FzpA)。通过遗传学分析,发现fzpA缺失突变体对于节杆菌是致死的,超表达fzpA可促使节杆菌体内分裂形成的Z环数目从1个/菌增多至3个/菌。SMART分析显示FzpA具有一个与Fts Z相互作用的结构域、一个与ZipA相互作用的结构域和一个跨膜结构域,并且FzpA广泛存在于放线菌中,揭示FzpA可能是放线菌具有替代FtsA功能的一种新型细胞骨架类似蛋白。综上所述,本研究通过对分离自天山一号冰川的节杆菌A3和分离自青藏高原冻土中的节杆菌Ar51进行研究,最终发现两个与调节细胞分裂发育相关的新基因和一个已知分裂发育相关基因却具有调控节杆菌多形性相关的新生物学功能。这为人们进一步研究放线菌分裂发育提供了理论基础。同时,由于结核分枝杆菌与节杆菌同属放线菌,且在形态分化、细胞壁形成、分裂发育相关基因以及基因组特征上存在着诸多相似性,因此,本研究也为抑制放线菌的新型药物开发提供潜在的科学理论依据。