全 文 ：古菌细胞膜脂在古菌群落组成及其
对环境响应研究中的应用*
曹摇 鹏1,2 摇 沈菊培1 摇 贺纪正1**
( 1中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085; 2中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘摇 要摇 古菌作为区别于细菌和真核生物的第 3 种生命形式广泛分布于各种生境,与碳、氮
等元素的生物地球化学循环密切相关,在整个生态系统中具有重要作用.古菌细胞膜脂作为
古菌重要的生物标志物,在其群落组成和对环境变化响应的研究中具有重要指示作用.本文
介绍了古菌细胞膜脂的结构特征及不同古菌类群间细胞膜脂结构差异,用以表征古菌群落的
组成特征.环境中细胞膜脂丰度可反映古菌生物量,并可与基于 DNA 的分子生物学手段在结
果准确性、分析效率和经济成本方面互补和互证.在重点介绍应用古菌细胞膜脂分析古菌群
落组成和丰度的难点和重要性的基础上,结合影响古菌群落变化的环境因子如温度和 pH,进
一步阐述古菌与所处生境的关系,分析古菌群落演化过程及其在地球化学和地质历史事件研
究方面的应用前景.
关键词摇 古菌摇 细胞膜脂摇 甘油二烷基甘油四醚化合物摇 泉古菌醇摇 TEX86 摇 pH
文章编号摇 1001-9332(2012)09-2609-08摇 中图分类号摇 Q938; S154摇 文献标识码摇 A
Applications of archaeal membrane lipids in investigating archaeal community composition
and its responses to environmental factors. CAO Peng1,2, SHEN Ju鄄pei1, HE Ji鄄zheng1 ( 1State
Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences,
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China; 2Graduate University of Chinese Academy of
Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(9): 2609-2616.
Abstract: Archaea, as the third life form distinct from bacteria and eukaryota, widely distribute in
various kinds of habitats, and play important roles in the biogeochemical cycles of carbon and nitro鄄
gen and in ecosystem functioning. As the biomarker of archaea, archaeal membrane lipids can be
used to investigate the archaeal community composition and its responses to the environment. This
paper introduced the structural characteristics of archaeal membrane lipids and the differences in the
membrane lipids composition among different archaeal communities, and discussed the feasibility of
using archeal membrane lipids in depicting archaeal community composition. The abundance of ar鄄
chaeal membrane lipids in the environment could be used to characterize the biomass of archaea,
and the related results could complement and ascertain each other with the DNA鄄based bio鄄molecu鄄
lar approaches on the accuracy, analysis efficiency, and cost. Based on the description of the diffi鄄
culties and importance of using archaeal membrane lipids to analyze the composition and abundance
of archaeal communities, and by linking to the environmental factors such as temperature and pH
that affected the archaeal community composition, the relationships between archaea and their habi鄄
tats were further expatiated, and the evolution process of archaeal communities and its application
prospects in the studies of geochemistry and geological events were analyzed.
Key words: archaea; membrane lipids; glycerol dialkyl glycerol tetraethers; crenarchaeol; TEX86;
pH.
*国家自然科学基金项目(41025004)和中国科学院“生态系统过程与服务冶创新团队计划项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: jzhe@ rcees. ac. cn
2011鄄12鄄16 收稿,2012鄄07鄄04 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 9 月摇 第 23 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2012,23(9): 2609-2616
摇 摇 20 世纪 70 年代末期,Woese 和 Fox[1]通过研究
小亚基核糖体(SSU rRNA)序列差异确立了三域学
说,并定名古菌(Archaea). 古菌作为区别于细菌和
真核生物的第 3 种生命形式广泛分布于各种生境,
如海洋底部的高压热溢口[2]、盐碱湖[3]、热泉[4]等.
随着分子生物技术在环境微生物研究中的广泛应
用,科学家们发现古菌在地球上有更为广泛的分布,
如海洋、湖水、沉积物和土壤等不同生境[5-7] . 对古
菌的研究主要集中于泉古菌门(Crenarchaeota)和广
古菌门(Euryarchaeota)两大类群,然而,近来基于基
因组和蛋白质序列的分析,越来越多的证据倾向于
将非极端环境中的泉古菌单独分为一类,并命名为
奇古菌(Thaumarchaea) [8] . 另外,随着研究的深入,
以及各种功能微生物(如氨氧化古菌、缺氧嗜甲烷
古菌、嗜热硫酸盐还原菌)和功能基因(如 amoA 基
因、mcrA基因、dsrC 基因)的发现,古菌参与陆地生
物地球化学过程及其作为生物资源库等方面的作用
也日益凸显[9-10] .
细胞膜脂作为特定生物标志物在系统发育分类
中起到了不容忽视的作用.在细胞结构和代谢方面,
古菌与细菌非常相似,但其在基因转录和转译过程
中则更接近真核生物. 古菌细胞膜脂特有的结构特
征,使其能迅速准确地区别于细菌和真核生物. 因
此,古菌细胞膜脂作为特定生物标志物的古菌群落
组成和丰度研究,日益受到关注. 目前,基于古菌细
胞膜脂群落结构的研究,多集中在具有甲烷厌氧氧
化和影响氮循环等过程的类群,以及一些适应极端
酸碱环境的类群[11-12] . 研究发现,古菌细胞膜脂定
量与实时荧光定量 PCR(real鄄time PCR)的分析结果
具有显著相关性,相较之分子生物学手段,古菌膜脂
也可以很好地反映古菌丰度变化[13-14] . 同时,古菌
对不同生境的适应性,对不同 pH 和环境温度的响
应特征,使之成为一种重要的环境指标并被广泛应
用于指示地球化学变化和地质环境变迁[15] .本文从
古菌生物标志物古菌细胞膜脂的结构特征出发,分
析古菌的群落组成和丰度,比较以古菌细胞膜脂为
标志物的方法与基于 DNA / RNA 方法的优劣,同时
研究不同环境中古菌细胞膜脂通过结构变化得以适
应所处环境等方面的情况,并对分析方法和可能的
应用领域简要概述.
1摇 古菌细胞膜脂的结构特征
细胞膜一般由磷脂双分子层和蛋白质构成,细
菌与真核生物细胞膜相似,但不含胆固醇等甾醇,多
数细菌和真核生物细胞膜脂类主要是由脂肪酸通过
酯键与甘油连接构成的甘油酯组成,而古菌细胞膜
脂则由异戊二烯侧链代替了脂肪酸与甘油经醚键连
接形成的甘油醚构成.古菌细胞膜结构区别于细菌,
是单层磷脂分子层结构,其完整极性膜脂( intact po鄄
lar lipids, IPLs)由核心膜脂(core lipids, CLs)和极
性头基(polar head groups)组成(图 1) [13] .其中核心
膜脂主要由以类异戊二烯、甘油为骨架的含 4 个醚
键的甘油二烷基甘油四醚化合物( glycerol dialkyl
glycerol tetraethers, GDGTs)构成(图 2) [12],极性头
基主要由磷酸盐和糖基构成. 古菌细胞膜脂甘油基
团立体构型受甘油鄄1鄄磷酸脱氢酶(G1P 脱氢酶)催
化,形成 2,3鄄2鄄O鄄烷基链鄄sn鄄甘油构型[16] .
古菌核心膜脂结构多样性远低于细菌和真菌,
其骨架由类异戊二烯烷烃链与甘油或其他较为复杂
的多元醇缩合而成并形成醚键,且碳链长度多为
C15、C20、 C25或 C40 . 常见的古菌膜脂骨架组成部
分———植烷(C20)也存在于非古菌类群中(如类胡
萝卜素、维生素 A和视黄醛),而古菌是唯一利用该
组分构成细胞膜的生命体. GDGTs 在质谱分析过程
中按照其质量数(m)和电荷数( z)的比值质荷比
(m / z)大小依次排列成谱,并被记录下来,GDGT鄄n
通过不同 m / z得以区分,总体上随五元环的增加质
荷比减小,研究较多的 GDGT鄄n 主要有 GDGT鄄0 到
GDGT鄄7 以及泉古菌醇 ( crenarchaeol)和其异构体
(crenarchaeol regioisomer, Cren爷),它们的质荷变化
范围在 1288 ~ 1304.其中泉古菌醇结构比较特殊含
有一个六元环,并通常和其位置异构体同时出现
(图 2) [12] .
摇 摇 古菌细胞膜脂极性头基多由磷酸盐、糖基、肌醇
和氨基衍生物等组成. 氨基衍生物头基是产甲烷古
菌特有的生物标记物(如磷酸乙醇胺、磷酸丝氨酸
图 1摇 古菌细胞膜脂结构图[13]
Fig. 1摇 Structure of archaeal membrane lipid[13] .
淤完整极性膜脂 Intact polar lipids; 于核心膜脂 Core lipids; 盂亲水
端 Hydrophilic end; 榆疏水端 Hydrophobic end; 虞极性头基 Polar
head groups; 愚醚键 Ether linkage.
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图 2摇 古菌 GDGTs主要类型的结构图[12]
Fig. 2摇 GDGTs structures of archaeal membrane lipid[12] .
和甘油磷酸乙醇胺) [17] . 肌醇作为产甲烷古菌细胞
膜脂头基组分,在广古菌门的嗜热菌中也有出现,但
所占比例较小.磷脂衍生物头基则主要出现在嗜盐
古菌中.泉古菌极性头基主要由半乳糖、葡萄糖和磷
酸肌醇构成,细胞膜脂的差异多由不同的甘糖键空
间排列和不同的糖苷键产生.
2摇 古菌细胞膜脂分析方法
目前,古菌细胞膜脂的分析方法多由 Bligh鄄Dyer
方法演变而来[13] . 该方法采用氯仿 颐 甲醇混合液
(2 颐 1,v / v)分离提取总量生物细胞膜脂,但作为一
种标准分析方法.它忽略了对不同样品来源等影响
因素的考虑.古菌细胞膜脂的提取延续了 Blight 和
Dyer[18]的方法,只是在细节上稍作改动,比如通过
提高抽提液中甲醇的比例便可提高极性膜脂抽提
率.事实上,研究人员更关注于对四醚脂的进一步分
离,法国国家科学研究中心和意大利国家研究理事
会的研究团队通过室温过夜逐步提取法或低温冻干
样品提取法抽提分离四醚脂[19],而荷兰格罗宁根大
学的研究人员则通过索氏提取或者采用乙醚 /丙酮
抽提液提取[20] .研究表明,较之真空旋蒸提取法,索
氏提取所用有机试剂更少.提取方法改进的同时,也
有人提出在抽提液中加入一定比例的 2 mol·L-1
HCl或者 5%的三氯乙酸[21] . 这种方法上的改进可
以达到原有抽提效率的 6 倍,且避免了混入酯键连
接的膜脂,因为酯键极易在酸化条件下水解. 然而,
这种方法达到的高抽提率在应用于不同古菌类群时
也会有所改变,并且会受到古菌蛋白质的影响.
完整细胞膜脂极易分解,在细胞死亡、受热活酸
碱条件下,极性头基易于脱落,提高了分析的难度,
因此分析过程中应避免高温并且保持中性条件,同
时,分析仪器也因温度限制只能选择高效液相色谱
(HPLC).由于 IPL 极性头基稳定性的问题,目前一
些分析方法在区分 CL鄄GDGTs和 IPL鄄GDGTs方面依
旧有所局限,因此无法完全将二者分开,以致于提高
CL鄄GDGTs含量而降低 IPL鄄GDGTs 含量[13] . 完整细
胞膜脂提取的后续处理步骤依分析用途不同而有所
改变,当用于系统发生分类时,核心膜脂则作为重要
的研究对象.基于这种研究目的,完整细胞膜脂需要
进一步强酸化水解去掉头基部分,之后过柱分离得
到脂质骨架.去除了头基的细胞膜脂骨架依极性强
度分离,也就是说依据分子连接不同( glycerol鄄glyc鄄
erol或 glycerol鄄nonitol)以及所含五元环数目的不同
而分开.当用于非分类目的时,分离极性组分则通过
添加正己烷的两相分离方法实现. 正己烷洗脱的极
性组分进一步过薄层色谱或硅胶柱加极性淋洗剂洗
脱分离.不同于细菌磷脂脂肪酸分析方法采用气相
色谱鄄质谱联用(GS鄄MS),古菌细胞膜脂由于其特殊
的结构特征和性质,需采用高效液相色谱鄄质谱联用
(HPLC鄄MS)的分析方法,并且质谱电离方式选择电
11629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曹摇 鹏等: 古菌细胞膜脂在古菌群落组成及其对环境响应研究中的应用摇 摇 摇 摇 摇
喷雾(ESI)较好[22] .
3摇 细胞膜脂对古菌群落组成和丰度的表征
微生物标志化合物多源于细胞膜,由于其特异
性可以很好地反映生物量及微生物群落组成[23],比
如细胞膜上的磷脂脂肪酸(PLFA)可以用以表征细
菌真菌等活细胞. 就细菌而言,i15:0、a15:0、15:0、
i16:0、16:棕7t、i17:0、a17:0、17:0、18:1棕7 和 cy19:0
表征细菌总量,异构十五酸(i15:0)和反异构十五酸
(a15:0)则是革兰氏阳性菌区别于多数革兰氏阴性
菌的特征性脂肪酸,而真菌生物量根据 18:2棕6 的
浓度估算[24] . 古菌细胞膜脂由于其特殊的醚键结
构,区别于绝大多数的细菌和真核生物的细胞膜脂,
使之成为表征群落组成的特征生物标志物[13] .不同
于分子生物学利用 rRNA 或者其他遗传学手段,依
据古菌细胞膜脂的分类属于表型分类方法.事实上,
完整极性膜脂在细胞衰老过程中,极性头基极易迅
速脱离于核心脂,部分水解消失,而核心脂部分难于
分解,以化石态生物标志物积累保存[13] .因此,IPLs
被认为是活细胞的生物标志物,并且由于极性头部
的存在,IPLs 较之 CLs 具有更丰富的结构,更有利
于群落结构分析,但是受技术所限,严格区分 IPL鄄
GDGTs和 CL鄄GDGTs比较困难.因此,这种群落分析
方法的研究重点也就集中在了分离和确定古菌
GDGTs.
3郾 1摇 应用古菌细胞膜脂表征群落组成
四醚结构是古菌细胞膜脂的主要特征结构[25],
继 Langworthy[26]在 Thermoplasma acidophilum 中发
现四醚结构后,Kushwaha和 Kates[27]于 1978 年在广
古菌门的 Halobacterium cutirubrum 中首次发现二醚
结构. ANME鄄1 古菌主要含二糖基 GDGT 的衍生物,
而 ANME鄄2 和 ANME鄄3 主要含古菌醇( archaeol)和
羟基古菌醇的磷脂衍生物.因此,利用古菌细胞膜脂
特有的结构差别,可以很好地区分一些古菌类群,并
作为分子生物学手段的有效补充及佐证.
目前,通过古菌细胞膜脂研究群落结构较多集
中在泉古菌门的硫化叶菌(Sulfolobales) [28]、Marine
group 1. 1a[29]和 Thermophilic group 1. 1b[12]、广古菌
门的热球菌(Thermococcales) [30]、热原体菌(Thermo鄄
plasmatales) [31]、古球菌(Archaeoglobales)和甲烷球
菌(Methanococcales) [32]、甲烷八叠球菌(Methanosar鄄
cinales) [33]、甲烷杆菌(Methanobacteriales) [11]、甲烷
微菌(Methanomicrobiales) [34]、ANME鄄1[35]、Halobac鄄
terium cutirubrum[27]等(表 1).
摇 摇 嗜酸耐热古菌硫化叶菌属( Sulfolobus)的细胞
膜脂是一个很好的用于分析嗜热菌的研究对象. 绝
大多数硫化叶菌属核心膜脂由 GDGTs 和 GDNTs
( glycerol dialkyl nonitol tetraethers ) 组 成, 并 且
GDNTs是硫化叶菌属的特有结构.像所有的生物体
一样,细胞膜脂含量和结构均受细胞生长条件影
响[28] .随生长环境如温度升高或 pH降低,Sulfolobus
的细胞膜脂中二醚和四醚的比例会由 0 增加到
0郾 1,而 GDNTs / GDGTs会由 1. 3 增加至 5[28] .
由表 1 可知,某一类古菌类群会对应一种或多
种 GDGTs,其中泉古菌醇(含有一个环己烷和四个
环戊烷)则作为氨氧化古菌特有的生物标志物近年
来备受关注.研究初期,特殊结构的 GDGTs 泉古菌
醇主要是来自于自然的非培养样品;随着研究深入,
泉古菌醇在古菌类群中的分布也由起初的 Group
1郾 1a 延伸到 Group 1. 1b[12,29], 如 Nitrosopumilus
maritimus SCM1, CandidatusNitrosocaldus yellowstonii
Candidatus和 Nitrososphaera gargensis 的细胞膜脂中
均检测到大量的泉古菌醇(图 3). 这些研究成果是
泉古菌醇可以作为氨氧化古菌生物标志物的重要依
据,可应用于系统发生分类以及生物定量过程等其
他研究领域.
3郾 2摇 应用古菌细胞膜脂表征古菌丰度
作为三域之一的古菌,如何能从环境中获取其
数量信息至关重要. 由于很多古菌不能用传统的培
养技术方法培养,且培养方法耗时耗力,这项工作受
到限制.随着分子生物学的发展,一些不依赖于纯培
养的分子手段对环境中的古菌进行定量的方法层出
不穷,例如酶联荧光原位杂交 ( catalyzed reporter
deposition fluorescent in situ hybridization, CARD鄄
FISH)、实时定量 PCR 以及高通量测序方法[42] . 虽
然 DNA / RNA 相对细胞膜脂携带更强的生物学信
息,但在自然环境中,DNA / RNA 在一些物理化学作
用下易发生降解,使得这些微生物的生物学信息丧
失,而细胞膜脂相对 DNA / RNA更为稳定,尽管也存
在一些不可避免的降解,但其分子骨架可以保留下
来,得以反映其生物源. 此外,通过古菌细胞膜脂含
量分析古菌数量的方法在时效性和经济性等方面具
有很大优势,并且与分子生物学分析结果具有很好
的相关性.
对海水、淡水以及泥炭沼泽的研究表明,泉古菌
醇可以很好地表征氨氧化古菌的存在,因此泉古菌
醇多被作为该古菌类群的生物标志物进行定量分
析[13] .例如,Leininger 等[14]分析了 10 个土壤样品
2162 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
中 GDGTs,其每克土壤中含量变化范围在 0郾 04 ~
3郾 24 滋g,其中泉古菌醇占据很大比例(每克土壤
0郾 02 ~ 0郾 33 滋g).对 8 个土壤中 GDGTs或泉古菌醇
与古菌 amoA基因拷贝数的相关分析显示,它们之
间存在显著的正相关关系. Pitcher 等[13]在研究热泉
和相关区域土壤样品中 GDGTs和泉古菌醇含量时,
发现它们与古菌定量数据存在很好的相关性(图
4).这些研究表明古菌生物标志物 GDGTs含量不仅
可以很好地反映环境中古菌的生物量,而且作为一
种基于生物化学分析的手段,可克服其他定量分析
技术缺陷所造成的结果偏差,比如定量 PCR中引物
偏嗜性的问题.
表 1摇 GDGTs在古菌中的组成和丰度
Table 1摇 Composition and abundance of archaeal GDGTs
目 /种
Order / species
温度
Temperature
(益)
pH GDGTs丰度
Abundance of
GDGTs (% )
GDGTs型
Types of
GDGTs
文献
Reference
Crenarchaeota
Desulfurococcales
摇 Desulfurococcus mobilis 85 6 - 0 [36]
摇 Pyrolobus fumarii 106 5. 5 - 0 [37]
摇 “Caldisphaerales冶
摇 Caldisphara lagunensis 45 ~ 80 2 ~ 5 100 0 [38]
Thermoproteales
摇 Thermoproteus tenax 85 5. 5 95 0 ~ 3, 5 [39]
摇 Pyrobaculum islandicum - - 99 0 ~ 3 [32]
摇 Vulcanisaeta distributa 65 ~ 89 3. 5 ~ 5 100 0 [38]
Sulfolobales
摇 Sulfolobus solfataricus 70 ~ 85 3 ~ 4 100 0 ~ 3, 5 ~ 7 [28]
摇 Sulfolobus acidocaldarius 70 2 ~ 3 100 0 ~ 3, 5 ~ 7 [28]
摇 Sulfolobus shibatae 76 3 ~ 4 100 0 ~ 3, 5 ~ 7 [22]
Group 1. 1a
摇 Nitrosopumilus maritimus SCM1 30 7 100 0 ~ 4, Crenarchaeol, Cren爷 [29]
Group 1. 1b
摇 Candidatus Nitrososphaera gargensis 46 7. 8 100 Crenarchaeol, Cren爷 [12]
Euryarchaeota
Thermoplasmatales
摇 Ferroplasma “acidarmanus冶 37 1. 0 100 0 ~ 3 [31]
摇 Ferroplasma acidophilum 37 1. 7 100 0 ~ 3 [31]
摇 Thermoplasma volcanium 45 ~ 62 1. 5 100 0 ~ 3, 5 [40]
摇 Picrophilus torridus 45 ~ 62 1. 3 100 0 ~ 3, 5 ~ 7 [40]
DHVE2鄄cluster
摇 Aciduliprofundum boonei 70 4. 5 100 0 ~ 3 [41]
Thermococcales
摇 Thermoccus celer 88 5. 8 46 0 [30]
摇 Thermoccus hydrothermalis 79 6. 8 63 0 [19]
摇 Palaecoccus ferrophilus 83 6 >80 0 [19]
摇 Pyrococcus furiosus 85 7 69 0 [30]
Archaeoglobales
摇 Archaeoglobus fulgidus 60 ~ 95 5. 5 ~ 8 较多 0 [32]
摇 Archaeoglobus profundus - - 较多 0 [32]
Methanosarcinales
摇 Methanosarcina barkeri 35 6. 7 较少 0 [33]
Methanobacteriales
摇 Methanobacterium ruminantium 37 6. 7 28 0 [11]
Methanococcales
摇 Methanococcus igneus - - 较少 0 [32]
Methanomicrobiales
摇 Methanospirillum hungatei 30 ~ 45 7 50 0 [34]
ANME鄄cluster
摇 ANME鄄1 5 ~ 35 7 100 0 ~ 3 [35]
- 无相关数据 No data.
31629 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曹摇 鹏等: 古菌细胞膜脂在古菌群落组成及其对环境响应研究中的应用摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 基于 Prosser等[12]对泉古菌 16S rRNA 基因研究重建
的泉古菌门 Group I 中确定及可能合成泉古菌醇(Crenar鄄
chaeol)的古菌系统发育树
Fig. 3 摇 16S rRNA gene鄄based phylogeny of the Crenarchaeota
redrawn from Prosser et al[12] , highlighting confirmed and sus鄄
pected crenarchaeol synthesizers within the ‘Group I爷 Crenar鄄
chaeota.
玉:确定合成泉古菌醇的类群 Confirmed archaeal groups contained cre鄄
narchaeol; 域:可能合成泉古菌醇的类群 Suspected archaeal groups
contained crenarchaeol.
图 4摇 不同环境中古菌 GDGTs分析结果与实时定量 PCR结
果比较[13]
Fig. 4摇 Comparison of the archaeal GDGTs content and the re鄄
sults of real鄄time PCR from different environments[13] .
4摇 古菌细胞膜脂对环境变化的响应
古菌细胞膜脂结构具有较高的稳定性,通过不
断增加环戊烷数量使古菌适应极端环境的变化. 比
如,Sulfolobus 四醚脂结构以及其在细胞膜脂所占比
例均会随细胞生长环境的改变而发生变化,这种变
化同时也存在于极端嗜热的产甲烷古菌中,即细胞
膜脂中五元环数目的变化会随生长环境变化(比如
温度、厌氧、异养和自养等)以及种属差异有所不
同[28] .古菌对温度的适应就是通过调节 GDGTs 上
的五元环数量来实现的,并随温度升高而逐渐增多.
这些五元环可以使细胞膜变硬,从玻璃态过渡到适
宜的液晶态以适应温度变化[13] .玻璃态是无定形态
的一种,指组成原子不存在结构上的长程有序或平
移对称性的一种无定型固体状态. 液晶态是温度中
度升高时极性脂质分子呈现的几种相态之一,拥有
液体的流动性和固体有序排列的特征. 由于液晶态
物质特殊的微观结构,因而呈现出许多特殊性质,如
对外界力和热等物理环境变化的响应. 一些处于极
端环境的古菌在改变细胞膜骨架和极性头基来改变
膜的流动性以适应环境变化的同时,对环境的适应
性也使古菌细胞膜呈现出低于脂肪酸细胞膜的 H+
通过率.
近年来研究发现,古菌 GDGTs对温度变化非常
敏感,这主要指古菌类群———泉古菌所合成的用于
温度重建的古菌细胞膜脂泉古菌醇. 泉古菌醇及其
异构体是一类特殊的 GDGTs,其分子中除含有 4 个
五元环外还含有 1 个六元环结构[13] .中宇宙和纯培
养试验证实,GDGTs 五元环数量随温度升高而增
加[43-44] .因此,研究人员基于 GDGTs 五元环数目差
异构建了经典的 TEX86指数,用于反演古海洋和湖
沼表层温度变化[15,45] .近期国内学者也有通过分析
古菌细胞膜脂在石笋中的分布构建 TEX86指数,用
于反映古环境变化[46] .
古菌细胞膜脂结构中五元环的增加,不仅受温
度的影响,其数量也会随 pH 降低而增加,这在一定
程度上说明了古菌对环境和能量胁迫的适应性[47] .
Pearson 等[48]在分析环境温度在 36郾 5 ~ 87 益,pH
3郾 0 ~ 9郾 2 范围内的泉古菌纯培养物、土壤和热泉样
品时发现,富泉古菌醇或寡泉古菌醇的样品分布受
控于 pH的变化,即泉古菌醇丰度与 pH呈显著正相
关,但同时无法排除温度对这种分布的影响,而
GDGT鄄4 丰度则与 pH呈显著负相关.较高丰度的泉
古菌醇和 GDGT鄄4 不会同时出现在同一样品中,泉
古菌醇多出现于中性或碱性环境中(pH>6). 该研
究还发现,在>75 益的环境样品中,即使是在高 pH
的环境里也很少有泉古菌醇分布,这个温度与光合
作用的上限温度(73 益)非常接近.
温度和 pH 对脂类分布的控制呈相反趋势,说
明温度和 pH 都是古菌分布极其重要的影响因素,
而且作用趋势相反. 同时也说明温度和 pH 值具有
协同性,从而造成对这两个影响因素的单独评估比
4162 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
较困难.既然除了温度之外,还存在其他的控制因素
可以影响古菌脂类分布,那么完全通过脂类分布推
算温度的方法就并非一个普适准则. 因此,当使用
TEX86方法研究古气候时,尤其是当自然环境可能有
除了温度之外的未知控制因素时,应该采取非常谨
慎的态度.
5摇 展摇 摇 望
古菌细胞膜脂作为生物标志物,其结构和组成
的变化能够用于表征环境变迁.因此,该类物质已广
泛应用于古环境重建、分析微生物耐受性等研究领
域,并且在分类学与古环境重建中显示了其独特的
优势和巨大的潜力.相较之分子生物学中因 DNA提
取、引物设计和探针选择等引起的方法有效性的降
低,古菌细胞膜脂分析更有效简洁地反映了古菌群
落的组成、分布和生态功能. 同时,结合目前研究较
热的 RNA分析方法,IPLs分析技术能提供更为详细
和全面的生命信息[4,17,28] .
高温热泉与地球早期环境比较相似,对热泉中
古菌的研究将在一定程度上有助于重现古菌演化的
历史.另外,相比于深海条件较为单一的环境,陆地
热泉中古菌的生存条件要复杂得多. 从古菌碳源到
热泉的高温环境,还有多样的 pH 条件等,乃至于陆
地上营养物质对热泉的输入,都有可能影响热泉中
古菌群体的分布.热泉中古菌的性质已经引起了人
们的关注,有研究表明,热泉中泉古菌的分布与碳酸
氢根离子浓度有关,而与温度无关[49];也有人从古
菌可利用碳源角度探讨古菌的分布与新陈代谢[50],
但是目前为止尚缺乏通过分析 GDGTs 反映针对控
制古菌分布因素的研究. 在应用古菌细胞膜脂反演
古环境的过程中,应扩大样品容量,多角度考虑环境
因子的影响,从而促进古菌细胞膜脂在多领域的研
究和应用.
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作者简介摇 曹摇 鹏,女,1981 年生,博士研究生.主要从事土
壤微生物生态学研究. E鄄mail: caopengsxu2005@ yahoo. com. cn
责任编辑摇 肖摇 红
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