台灣嗜熱溫泉藍綠菌全基因體解析與適應機制

摘要

Thermosynechococcus 是一類嗜熱的單細胞藍綠菌，主要分佈於亞洲非酸性溫泉中，並在約 50–65 °C 的微生物席中占優勢。我們對從台灣金崙溫泉與泰安溫泉分離出的兩株新菌株——CL-1 與 TA-1——進行了全基因體定序與比較基因體分析。研究結果顯示，這兩株菌屬於 Thermosynechococcus 屬的一個新種。值得注意的是，這些菌株透過水平基因轉移獲得了多種功能基因，可能有助於它們適應鹼性溫泉環境。此研究不僅深化了我們對亞洲嗜熱藍綠菌生理、生態與演化機制的理解，亦為後續功能研究與潛在生物技術應用提供了寶貴的基因資源。相關成果已發表於兩篇研究論文中(Cheng and Chou et al., Front. Microbiol. 2020；Cheng and Lin et al., Front. Microbiol. 2022)。

方法與執行步驟

1. 樣本分離與純化：由成功大學薛欣達博士及輔仁大學呂誌翼博士在台東金崙及苗栗泰安溫泉採集嗜熱藍綠菌 Thermosynechococcus taiwanensis 菌株，由我進行純化分離並建立穩定培養及冷凍保存方法。
2. 全基因體定序與比較分析：採用 Illumina、PacBio 與 Nanopore 平台進行全基因體定序，並以生物資訊學工具進行基因內容比較與基因重排分析，判定新物種並解析適應基因。
3. 基因功能鑑定：聚焦於水平基因轉移所得的防禦、胺基酸代謝與無機離子運輸相關基因，以及多型碳酸氫根轉運蛋白的功能與適應性意涵。
4. 演化與生態評估：比較基因組結構差異與親緣關係，評估其對台灣溫泉生態系多樣性與演化的貢獻。

創新作為與跨域合作

創新發現：

• 首次鑑定台灣嗜熱溫泉藍綠菌新物種 CL-1 與 TA-1，結合定序技術與比較基因體學，解析基因重排與功能差異。揭示特有的一氧化氮 (NO) 保護機制、kanamycin 抗性基因多樣性與多種碳酸氫根轉運蛋白。
• 發現水平方向基因轉移為其適應高溫鹼性環境的關鍵機制，提出新演化模式。

跨機構合作：

• 國科會計畫補助，由中研院植微所朱修安博士與中興大學王隆祺博士共同指導，針對新穎台灣溫泉藍綠菌 (CL-2和TA-B1等) 的向光性移動調控與胞外多醣 (EPS) 生產的分子機制進行深入探討。

預期成果與貢獻

學術價值：

• 建立台灣嗜熱藍綠菌完整基因體數據庫，提升亞洲溫泉藍綠菌研究的國際能見度。
• 為演化生物學與微生物適應性研究提供基因重排與水平基因轉移的案例與理論支持。

生態與保育貢獻：

• 補足台灣極端環境微生物多樣性資訊，提供溫泉生態系保育與管理的重要科學依據。

應用潛力：

• 高溫光合作用菌株具備碳固定與耐熱蛋白特性，可應用於碳捕獲、生物能源與高溫工業酵素開發。
• 支援未來淨零碳排與環境永續科技發展，促進學術與產業連結。