胶质芽孢杆菌风化含钾硅酸盐矿物的分子调控机制和关键基因

Microorganisms can degrade potassium-bearing silicate minerals, release potassium ion, and promote mineral carbonate precipitation; the weathering processes depend on refined and specific molecular regulation mechanisms which microorganisms inherited from their ancestors. In order to clarify the processes of microbial potassium-bearing silicate mineral weathering and its regulation mechanisms, the comprehensive informations of gene transcription and protein expression regulated by the microorganisms in rock weathering need to be collected, with the combination of molecular biological technologies and mineralogical methods. Using bacteria Bacillus mucilaginosus and potassium-bearing silicate minerals as objectives, the mineral compositions and bacterial metabolites in bacterial weathering would be investigated, the bacteria-minerals interactions would be revealed, and the bacterial weathering processes and its influencing factors would be also analyzed by transmission/scanning electron microscopy, atomic absorption spectrometry, X-ray diffraction, gas/liquid chromatography-mass spectrometry (GC-MS/LC-MS), et al. Transcriptome, expression profiling and proteomics data of bacterial weathering would be obtained by the application of a variety of molecular biology techniques. The knowledge and understanding of biogeochemical cycling of soil nutrient elements would be progressed in exploring the molecular regulation mechanisms of bacterial weathering. The key genes which play important roles in bacterial weathering processes would be identified and confirmed by the gene manipulation technologies, such as gene cloning and expression, gene knockout, gene overexpression and reverse mutation.

微生物在风化含钾硅酸盐矿物过程中，能够释放矿物中的钾元素，并促进矿物元素的碳酸化沉淀；这一过程的实现，有赖于微生物通过进化形成的精细而特有的分子调控机制。分子生物学与矿物学方法的结合，有助于阐明微生物对含钾硅酸盐矿物风化作用及其调控机制，并获得风化过程中细胞调节相应基因转录、蛋白质表达的全面信息。本项目拟利用透射、扫描电镜、原子吸收法、X-射线衍射、气/液-质联用等手段来研究胶质芽孢杆菌对含钾硅酸盐矿物风化前后的矿物组成、代谢产物及细菌-矿物相互作用，分析风化作用过程及其影响因素；通过各种分子生物学技术，获得风化过程中胶质芽孢杆菌的转录组、表达谱、蛋白组数据，探讨细菌风化作用的分子调控机制，加深对土壤营养元素生物地球化学循环规律的认识和理解；通过克隆表达、基因敲除、过表达和回复突变等基因操作技术，对在风化过程中起重要作用的基因进行鉴别确认。

微生物在风化含钾硅酸盐矿物过程中，能够释放矿物中的钾元素，并促进矿物元素的碳酸化沉淀；这一过程的实现，有赖于微生物通过进化形成的精细而特有的分子调控机制。本项目通过分子生物学与矿物学方法的结合，研究微生物对含钾硅酸盐矿物风化作用及其调控机制，以获得风化过程中细胞调节相应基因转录、 蛋白质表达的全面信息。项目实施过程中，对胶质芽胞杆菌K02 进行了基因组和比较基因组分析，完善的基因组数据和生物信息分析，对于农业上应用胶质芽胞杆菌作为微生物肥料提供了很好的基础。采用摇瓶和平板培养的方法，微生物在不同环境条件下作用于含钾硅酸盐矿粉，对培养液钾素含量变动进行检测、分析微生物作用前后矿物成分，采用气-质谱联用分析的方法分析了在不同环境条件下风化作用中的微生物代谢产物，结合基因芯片和高通量 RNA 测序技术，对微生物风化矿物过程中的特异性表达基因进行相对定量分析，完善了微生物风化不溶性矿物的综合效应作用内容。对与矿物风化和钾离子释放密切相关的基因，通过构建基因过表达同源菌株和蛋白的异源合成表达及重组，研究了风化相关基因对菌体代谢和风化作用的影响。在不同环境因子对微生物风化的研究过程中，发现了可见光对微生物风化的影响规律。通过同位素相对标记与绝对定量(iTRAQ) 等技术，对微生物在不同环境条件下风化含钾硅酸盐矿物过程中的蛋白质差异表达进行了定量分析，结合代谢产物的定量分析，确定可见光影响风化作用的体系包括了有机酸、氧化还原酶和色素蛋白，起核心作用的是色素蛋白。色素蛋白吸收可见光后可以产生活性电子和提高化学键能，使得有机酸和氧化还原酶能更有效地与矿物晶体结构发生电子传递和氧化还原反应，释放出矿物元素。针对不同环境因子影响基因表达和改变的现象，提出环境因子影响生物分子结构的破坏重组机制，解释了环境因子对生物分子的成分和结构的适应性变化的影响过程，也为新的分子结构和生物性状的形成提供新的微进化观点。本研究为创新性地开发解钾微生物资源，为储量丰富的低品位含钾岩石的微生物转化，为含钾页岩的开发和利用拓宽了思路，提供了理论基础；为发展岩石矿物的生物转化工艺、矿物微生物的环境净化和代谢物生产应用等方面提供相关科学依据。