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鞘氨醇单胞菌(广义上包括鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas、鞘脂菌属Sphingobium等)经常可以从受有机污染的环境中分离获得，通常能够降解多种异生物质，暗示着它们具有较强的污染环境适应能力，在环境修复中具有重要作用。这类细菌的细胞外膜中含有糖链较短的鞘糖脂，替代了一般革兰氏阴性细菌所特有的脂多糖，故被推测具有更高的细胞表面疏水性(Cell surface hydrophobicity，CSH)，从而有利于疏水性异生物质的降解。但关于鞘氨醇单胞菌CSH的研究尚不深入，其CSH与环境适应的联系、影响因素、分子机制和进化过程都不清楚。疏水鞘脂菌(Sphingobium hydrophobicum)C1是目前已知CSH最高的鞘氨醇单胞菌，由本课题组从受电子垃圾污染(重金属与毒害性有机物的复合污染)的河流沉积物中分离获得，能够偶联零价铁高效降解十溴联苯醚(BDE-209)。本研究考察了C1菌与生境适应相关的优势表型，尤其是高CSH在C1菌适应生境中的作用；高CSH的物质基础与相关基因；C1菌基因组特征及适应性进化驱动力。主要结果如下：
(1)C1菌相较亲水突变株C2、近缘菌株S.xenophagumNBRC107872和实验常用对照菌株E.coliATCC25922，具有高CSH，对土壤/沉积物中常见成分高岭土和蒙脱石的吸附更强，也具有更强的生物膜形成能力，表明高CSH有助于C1菌在沉积物中定殖。C1菌能够耐受较高浓度的多溴联苯醚和多种重金属，能利用邻苯二甲酸酯、联苯醚、联苯等电子垃圾污染相关异生物质进行生长。C1菌的高CSH与其良好的重金属抗性有一定联系，同时高CSH促进C1菌吸附疏水性异生物质BDE-209，提高生物可利用性。这些优良性状使C1菌在受电子垃圾污染的河流沉积物环境中更具生存优势。
(2)C1菌在缺少易利用营养物质、高温、偏酸或偏碱pH、重金属等不利环境中，CSH会显著升高，自身聚团和贴壁更明显，可能有助于抵抗外界环境压力；而C1菌在营养丰富的LB液体培养基中连续传代培养，培养液中亲水突变株逐渐增多。这些表明C1菌高CSH与一些不利的生存环境有关，是一种响应环境压力的表现。
(3)通过比较C1菌和亲水突变株C2在亲脂染料染色、红外光谱、拉曼光谱上的差异，分析膜蛋白、极性脂、脂肪酸等表面成分组成，以及测试蛋白酶消化对CSH的影响，发现外膜蛋白是影响C1菌高CSH的重要物质基础。
(4)C1和C2基因组都是由2个染色体和5个大质粒组成，主要差异在于三个最小内源质粒(P3、P4、P5)的拷贝数，在C2菌中的拷贝数为C1菌中的3~4倍。在C2 菌中敲除P3质粒上复制起始蛋白基因，获得突变株C2_△rep，其P3拷贝数降低为C2菌的1/4，CSH显著升高(69.2±3.9%vs17.6±2.1%)；同时在C1菌培养过程中偶然分离获得P3质粒丢失菌株C1_△P3，其CSH较C1菌略高(72.8±2.5%vs62.8±4.0%)，证实P3质粒与CSH密切相关。进一步测试分析C1、C2和C2_△rep的转录组，发现P3变异会影响质粒上脂肪酸代谢相关酶、糖基合成相关酶、TonB依赖的受体蛋白、与外膜蛋白表达调控相关的Tetr蛋白以及大量假设蛋白编码基因的表达，进而影响全局代谢网络，外膜蛋白总体表达情况，最终导致CSH变化。另外，C2_△rep的高CSH及离心后形成长细胞团，可能也与质粒P5上糖基合成、转移及多糖分泌相关蛋白编码基因的缺失，导致糖类相关物质合成缺陷，出现疏水糖脂有关。
(5)尽管外膜蛋白Oap、群感系统和IV型分泌系统相关基因在C1菌和亲水突变株C2间存在显著差异表达(课题组其他成员进行的转录组和蛋白组实验结果)，但基因敲除后并未改变CSH，表明它们不是CSH的决定性因素。
(6)C1基因组包含大量移动元件；与其它Sphingobium基因组序列上存在大量差异，拥有许多特有基因；同时实验观测到频繁的基因组重排，这些反映出高度的基因组可塑性。大量异生物质降解基因、重金属抗性基因等与环境适应相关基因位于副染色体Chr2、质粒以及基因岛上；多套IV型分泌系统可能会将有利基因提供给周围微生物，促进群落进化。结合近缘菌株分离时间以及电子垃圾污染起始时间，推断在经历电子垃圾污染之前C1祖先基因组已含有染色体Chr1和Chr2中绝大部分序列，其中包括原儿茶酸降解基因簇、多药外排泵基因等。正选择、基因复制、水平基因转移，尤其是后者，驱动了菌株C1的适应性进化，许多异生物质降解基因、重金属抗性基因、CSH相关基因等来源于水平基因转移。
综上所述，本研究揭示了C1菌在适应生境过程中高CSH的作用，高CSH的物质基础与相关基因，以及C1菌适应性进化过程和驱动力，为微生物CSH与环境适应之间的联系，及微生物在电子垃圾污染环境中的适应进化提供新的认知，为调控鞘氨醇单胞菌和其它微生物的CSH，以及开展电子垃圾污染等环境生物修复工作提供理论指导。
(1)C1菌相较亲水突变株C2、近缘菌株S.xenophagumNBRC107872和实验常用对照菌株E.coliATCC25922，具有高CSH，对土壤/沉积物中常见成分高岭土和蒙脱石的吸附更强，也具有更强的生物膜形成能力，表明高CSH有助于C1菌在沉积物中定殖。C1菌能够耐受较高浓度的多溴联苯醚和多种重金属，能利用邻苯二甲酸酯、联苯醚、联苯等电子垃圾污染相关异生物质进行生长。C1菌的高CSH与其良好的重金属抗性有一定联系，同时高CSH促进C1菌吸附疏水性异生物质BDE-209，提高生物可利用性。这些优良性状使C1菌在受电子垃圾污染的河流沉积物环境中更具生存优势。
(2)C1菌在缺少易利用营养物质、高温、偏酸或偏碱pH、重金属等不利环境中，CSH会显著升高，自身聚团和贴壁更明显，可能有助于抵抗外界环境压力；而C1菌在营养丰富的LB液体培养基中连续传代培养，培养液中亲水突变株逐渐增多。这些表明C1菌高CSH与一些不利的生存环境有关，是一种响应环境压力的表现。
(3)通过比较C1菌和亲水突变株C2在亲脂染料染色、红外光谱、拉曼光谱上的差异，分析膜蛋白、极性脂、脂肪酸等表面成分组成，以及测试蛋白酶消化对CSH的影响，发现外膜蛋白是影响C1菌高CSH的重要物质基础。
(4)C1和C2基因组都是由2个染色体和5个大质粒组成，主要差异在于三个最小内源质粒(P3、P4、P5)的拷贝数，在C2菌中的拷贝数为C1菌中的3~4倍。在C2 菌中敲除P3质粒上复制起始蛋白基因，获得突变株C2_△rep，其P3拷贝数降低为C2菌的1/4，CSH显著升高(69.2±3.9%vs17.6±2.1%)；同时在C1菌培养过程中偶然分离获得P3质粒丢失菌株C1_△P3，其CSH较C1菌略高(72.8±2.5%vs62.8±4.0%)，证实P3质粒与CSH密切相关。进一步测试分析C1、C2和C2_△rep的转录组，发现P3变异会影响质粒上脂肪酸代谢相关酶、糖基合成相关酶、TonB依赖的受体蛋白、与外膜蛋白表达调控相关的Tetr蛋白以及大量假设蛋白编码基因的表达，进而影响全局代谢网络，外膜蛋白总体表达情况，最终导致CSH变化。另外，C2_△rep的高CSH及离心后形成长细胞团，可能也与质粒P5上糖基合成、转移及多糖分泌相关蛋白编码基因的缺失，导致糖类相关物质合成缺陷，出现疏水糖脂有关。
(5)尽管外膜蛋白Oap、群感系统和IV型分泌系统相关基因在C1菌和亲水突变株C2间存在显著差异表达(课题组其他成员进行的转录组和蛋白组实验结果)，但基因敲除后并未改变CSH，表明它们不是CSH的决定性因素。
(6)C1基因组包含大量移动元件；与其它Sphingobium基因组序列上存在大量差异，拥有许多特有基因；同时实验观测到频繁的基因组重排，这些反映出高度的基因组可塑性。大量异生物质降解基因、重金属抗性基因等与环境适应相关基因位于副染色体Chr2、质粒以及基因岛上；多套IV型分泌系统可能会将有利基因提供给周围微生物，促进群落进化。结合近缘菌株分离时间以及电子垃圾污染起始时间，推断在经历电子垃圾污染之前C1祖先基因组已含有染色体Chr1和Chr2中绝大部分序列，其中包括原儿茶酸降解基因簇、多药外排泵基因等。正选择、基因复制、水平基因转移，尤其是后者，驱动了菌株C1的适应性进化，许多异生物质降解基因、重金属抗性基因、CSH相关基因等来源于水平基因转移。
综上所述，本研究揭示了C1菌在适应生境过程中高CSH的作用，高CSH的物质基础与相关基因，以及C1菌适应性进化过程和驱动力，为微生物CSH与环境适应之间的联系，及微生物在电子垃圾污染环境中的适应进化提供新的认知，为调控鞘氨醇单胞菌和其它微生物的CSH，以及开展电子垃圾污染等环境生物修复工作提供理论指导。