离子型稀土矿菌株Bacillus sp. DN-1铥胁迫应答机制的脂质组学和蛋白质组学研究

Heavy ion-absorbed type rare earth elements (REE) ores are mainly found in Ganzhou, their mining has introduced accumulation of REE to nearby soil, causing stress to microbial ecosystem, but the stress-response mechanisms against REE are still not clear. This project will study molecular mechanisms of thulium-stress-response of bacterial strain Bacillus sp. DN-1, which is isolated from REE ore in Ganzhou and resistant against high-concentration REE. Firstly, the strain will be cultured under different concentration thulium stress, and its growth characteristics will be observed to analyze effects of thulium stress. Then, differential expression of lipids and proteins under different thulium stress, including none-, low-concentration- and high-concentration-thulium stress, will be compared by using lipidomic and proteomic techniques, analyzing what functions these molecules play in metabolic regulation to reveal the bacterial thulium-stress-response mechanisms. This project would elucidate relevance of phospholipids and proteins involved in bacterial stress-response against ion-absorbed type REE, providing new ideas and theories for further understanding metabolic regulation of microbial response to environmental stresses in REE ores.

赣南稀土矿以中重离子型稀土为主，矿区的开采使周围土壤稀土元素超富积累，胁迫微生物生态系统，然而土壤微生物对稀土胁迫的应答机理尚不清楚。本项目以从赣州离子型稀土矿区分离到的耐高浓度稀土离子的芽孢杆菌（Bacillus sp. DN-1）为试验对象，研究菌株应答铥离子胁迫的分子机制。首先在不同浓度铥离子下对菌株进行胁迫培养，通过观察菌株的生物学特征，分析稀土元素铥对菌株生长的影响；然后利用脂质组学和蛋白质组学，比较菌株在无铥离子胁迫、低浓度胁迫、高浓度胁迫下脂质及蛋白质的差异表达，分析这些大分子参与胁迫应答的功能、代谢途径及调控方式等，以期揭示菌株的铥胁迫应答机制。本项目旨在阐释磷脂、蛋白质等大分子参与枯草芽孢杆菌应答稀土离子胁迫的相关性，为更进一步理解离子型稀土矿区微生物响应环境胁迫的代谢调控机制提供新思路和理论基础。

赣南离子型稀土矿的开采造成周围环境土壤中稀土元素的积累，影响了微生物生态系统，然而有些微生物对稀土离子的胁迫具有抗性，但目前耐受机理尚不清楚。本项目以实验室芽孢杆菌（Bacillus） 及从矿山土壤富集的野生芽孢杆菌菌株为试验对象，探究了稀土离子对菌株生物特性的影响以及菌株对稀土离子的胁迫应答。研究结果表明，不同浓度稀土离子作用下菌株的生长有显著差异。低浓度铥离子（7.5-10 mg/L）对Bacillus sp. ND-1有显著促进作用，浓度高于200 mg/L时明显抑制菌株生长，半致死浓度LC50为600 mg/L；变性聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）结果显示，Bacillus sp. ND-1在铥离子浓度高于200 mg/L时细胞中蛋白质分子量大于150 kDa蛋白质含量显著高于在低浓度培养细胞的含量，原因可能是高浓度铥离子的环境中芽孢杆菌生长周期被拉长，分裂速率低，细胞内营养物质积累充足导致的，表明Bacillus sp. ND-1 对稀土的耐受性可能与细胞中此类蛋白含量的改变有关。. 然而，稀土矿区土壤筛选到的野生菌株Bacillus sp. P3-1铥的半致死浓度高达1289 mg/L，而Bacillus sp. Y17-2铽的半致死浓度达到1373 mg/L，表明菌株对稀土离子具有非常强的耐受性。考虑到芽孢杆菌细胞在营养条件不利时会形成芽孢，因此本项目对实验室菌株进行了稀土离子胁迫芽孢的生物学特性分析。结果表明，与细胞类似，枯草芽孢杆菌、蜡样芽胞杆菌及巨大芽孢杆菌等菌株形成的芽孢同样耐受稀土离子，而且利用透射电镜（TEM）观察首次发现了这些芽孢杆菌芽孢能够高效吸附稀土离子，吸附稀土离子后的芽孢耐热性、芽孢萌发等特性并未受到明显影响。此外，本项目还利用铽离子与芽孢萌发释放的吡啶二羧酸钙结合产生荧光特点，进行了抑制芽孢萌发的化学物质及其机理分析。. 综上所述，本项目为进一步理解离子型稀土矿区微生物响应环境胁迫的应答机制提供了一定的理论基础。在应用基础研究方面，研究发现芽孢杆菌不仅能够抵抗较高浓度的稀土离子，而且更重要的是芽孢能够高效吸附大量稀土离子，因此在矿区生态环境的修复和稀土资源的绿色开发与回收的应用方面具有广阔的前景。