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化能自养细菌Halothiobacillus sp.LS2硫氧化和固氮作用的研究

韩佳悯  
【摘要】:微生物驱动的元素生物地球化学循环不仅是人类认识地球与自然的基础科学,也为解决人类生存和可持续发展面临的资源匮乏、能源短缺、生态危机等问题提供了关键的科学技术。人类对自然界中各种元素生物地球化学循环途径的不断研究,既是对地球生态的深入探索,也是为人类面临的各种问题寻找解决之道。本文对从珠江水体中分离的化能自养硫氧化细菌Halothiobacillus sp.LS2进行全基因组测序,发现其基因组中含有多种硫氧化酶系的编码基因和完整的固氮酶基因簇,推测其除能与其他硫氧化细菌一样对硫循环有重要作用外,还具有固定N_2的能力。因此本文从菌株全基因组的固氮作用相关基因分析出发,研究其在有氧条件下固氮的生理生化特性与硫氧化功能的联系,并通过荧光定量PCR技术进行了基因表达层面的分析。结果显示,Halothiobacillus sp.LS2与Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC 23270的nif基因簇组成和排列非常相似,推测二者具有相近的固氮功能。另外菌株LS2是Halothiobacillus菌属及与其亲缘关系较近的菌属中唯一具有完整nif固氮酶基因簇的硫氧化细菌,并且是目前唯一同时含有Fix和Rnf复合体的硫氧化菌。根据对nifHDK、fixB和rnfB三种相关功能基因的进化发育分析以及基因簇结构分析得到菌株LS2基于全基因组水平的硫氧化-固氮作用代谢途径。另外菌株LS2中包含了多种抗氧化酶以及与氧消耗相关的酶,推测这些酶的存为菌株LS2在有氧情况下进行固氮作用提供保护。基于相关基因分析的结果,本文对菌株LS2进行了硫氧化和固氮作用的生理生化研究,发现菌株LS2能在无添加氨氮的条件下可以通过固定氮气进行生长,生长较缓慢,生长量比添加氨氮的实验组少,低浓度氨氮(1mM NH_4~+)条件下菌株LS2在生长过程中利用培养基中提供的氨氮进行生长,同时进行固氮作用。高浓度氨氮(50mM NH_4~+)条件下菌株LS2的固氮作用并未完全被抑制。氮气浓度对菌株LS2的生长影响不大,加入5%氧化亚氮气体会在一定程度上抑制菌株的固氮作用。固氮作用能促进菌株LS2的生长,当抑制固氮时生长也会受到抑制。基于基因表达情况进行分析,发现fixB和rnfB基因以及固氮酶关键基因nifH的表达量在高浓度氨氮条件下皆有不同程度的下调,进一步说明在高浓度条件下菌株LS2的固氮作用受到抑制。硫底物浓度较低时菌株LS2利用初始氮源进行生长,固氮作用受到抑制;当硫底物浓度较高(大于1mM)时,nifH基因的表达量随着底物浓度的增大而增大。氧气浓度受限时,nifH基因的表达量会有明显的上升,而硫氧化作用基本不受氧气浓度的影响。菌株LS2在高氧气浓度的条件下仍能进行固氮作用有赖于机体内抗氧化酶系和氧消耗相关酶的调节和保护。


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