水生拉恩氏菌HX2对硒的形态转化及介导的植物吸收转化机理

Selenium (Se) is an essential micronutrient for humans. It plays important roles in antioxidant function, cancer suppression, and immune responses. The low daily Se intake will lead to endemic disease, such as Kashan and Kashin disease, and over dietary supplements also will be harmful to health. Rahnella aquatilis HX2 is a rhizobacteria that could produce IAA, PQQ, organic acid and ACC deaminase, and these are related to plant growth promotion. HX2 could transform ionic Se to red elemental Se, and promote Se absorption of maize. In this study, genes related to Se transformation in HX2 will be cloned, and then the effects of temperature, pH, carbon and nitrogen resource to Se transformation and its related genes transcription will be analyzed. Simultaneously proteomic analysis will be performed to investigate the regulatory pathways of Se transformation by result of compared proteome-changes between HX2 and Se transformation mutant strains. Also, we will focus on the influence of Se transformation in plant rhizosphere to the soil bacterial community by molecular ecology methods. The main aim of this study is to explore Se transformation mediated by PGPR (Plant Growth promoting Rhizobacteria) and the effect of the bacteria on the Se availability to plant, and provide scientific basis for Se-enrich plant production and PGPR application in agricultural production.

硒是人体必须微量元素，在人体的抗氧化、抗癌、免疫反应等作用中具有重要作用，缺硒会引起克山病等地方病，同时过量硒也会对人体造成毒害。水生拉恩氏菌HX2是一株具有显著促生效果的根际细菌，能产生IAA、PQQ、有机酸和ACC脱氨酶等多个植物促生因子，可以将硒盐转化为红色纳米单质硒，并能促进玉米对硒的吸收。通过克隆HX2菌株硒转化相关基因，明确温度、pH和CN源等环境因子对硒转化相关基因的转录调节，用蛋白组学方法研究硒在HX2菌株中的生物转化途径及其调控机理；以玉米对对象研究硒在植物-根际促生菌互作系统中的迁移与转化规律及其调控途径，解析HX2促生相关性状（IAA、PQQ、有机酸和ACC脱氨酶等）在植物对硒吸收与转化中的作用，揭示硒在植物根际微生态环境中的转化规律，并探索硒在田间应用对土壤微生物生态的影响，为实现硒在农业上的高效生物转化应用，同时降低硒应用带来的环境生态风险提供理论依据和技术支持。

硒是人体必须微量元素，水生拉恩氏菌HX2是一株具有显著促生效果的根际细菌，研究硒在植物根际微生态环境中的转化规律，为实现硒在农业上的高效生物转化应用，同时降低硒应用带来的环境生态风险提供理论依据和技术支持。研究结果明确了促生菌HX2硒生物转化相关基因克隆及调控机理。研究获得17个硒代谢影响的突变体，15个硒代谢相关基因，解析了hfq、phoQ、nhaA3个基因在HX2硒代谢中的作用中的功能；HX2生物转化亚硒酸盐为纳米硒（SeNPs）的最佳最佳碳、氮源分别为0.3% (w/v)葡萄糖、3% (w/v)胰蛋白胨，最佳pH为7.0，最佳温度为28℃；HX2生物转化纳米硒的主要部位在细胞质中，硝酸盐还原酶参与纳米硒合成，谷胱甘肽 (GSH)、半胱氨酸 (Cys) 与NADH促进SeNPs合成，高浓度PQQ抑制SeNPs合成，核黄素对SeNPs合成无影响；菌株HX2在优化条件下合成的SeNPs为混合晶型，颗粒表面硒元素多以零价 (Se0) 和负二价 (Se2-) 存在，SeNPs平均粒径大小为291.5 nm，粒径整体分布范围在134 nm-580 nm，颗粒稳定性良好。通过比较蛋白组分析，探索了促生菌HX2硒生物转化调控途径。HX2代谢亚硒酸盐、硒酸盐和硒代蛋氨酸分别有243、259和183个蛋白表达差异，结合qPCR转录分析和基因克隆结果综合分析，表明CysA、CysP、GrxA与YnfE直接参与了硒代谢过程，FliO、FlgE、FliC、RodA与SulA控制细细胞形态，ZntA、Ada与GntK分别参与细胞解毒、细胞自我修复以及能量代谢过程。感应激酶PhoQ正向调控HX2对亚硒酸钠的吸收转运，突变phoQ基因合成纳米硒的能力显著降低、菌体中的硒含量显著降低；感应激酶PhoQ反向调控HX2将土壤中的亚硒酸钠转化为残渣态硒；硒降低土壤中芽孢菌属(Bacillus)的相对丰度。HX2能够促进玉米苗期地上部生长；玉米硒吸收主要富集在地下部，HX2促进植物对硒从地下部向地上部的转运。以HPLC-AFS建立了硒形态分析方法，以水培小麦为模型，明确了植物通过水通道吸收HX2生物转化的纳米硒，并能够将纳米硒转化为硒代胱氨酸、硒甲基硒代半胱氨酸、硒代蛋氨酸和三种未知形态硒。研究结果推动了利用植物促生菌高效转化生物纳米硒并在富硒农业上的产业应用。