钙镁离子调控蛋白核小球藻贴附行为的分子机制研究

Marine microorganisms tend to form biofilms on the surface of marine materials and result in deleterious consequences such as biocorrosion, therefore it’s important to study related prevention and control technology. Adhesion of microorganisms on material surface is a key step for biofilm formation, where calcium and magnesium ions have been shown to play important roles by regulating extracellular polymeric substances (EPS). However, there is little knowledge about their molecular regulation of algae adhesion and subsequent biofilm formation. By using Chlorella pyrenoidosa as a typical fouling organism, the project will study their adhesion and colonization behaviors on surface of silicon and stainless steel wafers in artificial seawater. The physiological and biochemical response of Chlorella pyrenoidosa to calcium and magnesium ions will be characterized with cellular, biochemical and molecular methods. The function of key components in EPS will be qualitatively and quantitatively examined and their regulation mechanisms for cell-cell and cell-material interaction will be characterized at the single-cell level. The regulation of critical genes will also be analyzed at the whole-genome level using RNA-seq, which will reveal the regulatory signaling network of calcium and magnesium ions on surface adhesion of Chlorella pyrenoidosa. Based on the study, it will help to elucidate the molecular mechanism regulating surface adhesion and biofilm formation of Chlorella pyrenoidosa by calcium and magnesium ions and provide clues for the development of anti-algae fouling technology.

海洋微生物在材料表面形成的生物膜会导致生物腐蚀等后果，相关防控技术研究十分重要。微生物在材料表面的贴附是生物膜形成的关键步骤，已有研究表明钙镁离子在此过程中通过调控胞外聚合物发挥重要作用，然而关于钙镁离子调控藻类贴附和生物膜形成的分子机制还不清楚。本项目拟选择蛋白核小球藻为典型污损生物，研究模拟海水环境中其在硅片和不锈钢片表面的贴附和定殖行为。综合运用细胞生物学、生物化学和分子生物学手段研究藻细胞对钙镁离子的生理生化响应，从细胞、亚细胞和分子水平定性定量分析胞外聚合物的功能，并在单细胞水平研究其对细胞-细胞和细胞-材料相互作用的调控规律。同时将利用RNA-seq在全基因组水平分析关键基因表达调控模式，探讨钙镁离子调控蛋白核小球藻表面贴附的信号网络。基于本项目研究，预期将揭示钙镁离子影响蛋白核小球藻在材料表面贴附形成生物膜的分子机制，为开发海洋藻类生物污损防护技术提供基础实验数据。

微生物在材料表面的贴附是生物膜形成的关键步骤，前期研究发现钙镁离子在此过程中通过调控胞外聚合物发挥重要作用，然而关于钙镁离子调控藻类贴附和生物膜形成的分子机制还不清楚。本项目选择海洋单细胞生物蛋白核小球藻为典型污损生物，主要运用细胞学、生物化学等手段研究藻细胞对钙镁离子的响应，期望从细胞和分子水平定性定量分析小球藻胞外聚合物对钙镁离子的响应机制。在项目执行过程中发现，本团队前期研究所使用的小球藻液为富含多种其他未知微生物的复杂生物群体，不适合直接使用进行生化分析。因此首先利用多种抗生素和梯度稀释等手段对该藻种进行纯化处理。最终去除绝大部分杂质微生物获得较纯净的小球藻液。随后利用透射电镜对钙镁离子处理前后小球藻的形态和EPS构成进行单细胞原位表征，结果发现钙镁离子处理对小球藻胞外聚合物层结构和含量无显著影响。进一步利用激光共聚焦拉曼光谱显微镜和原子力显微镜在单细胞水平对藻细胞的化学构成和粘附力进行分析，结果也未能在钙镁离子处理和正常培养小球藻细胞之间检测到显著性差异。利用热处理法提取小球藻的胞外聚合物并对其中多糖、蛋白和DNA含量进行测定。结果显示，钙镁离子处理样品中多糖、蛋白和DNA含量与对照相比均无显著性差异。分析发现，小球藻正常培养液中初始钙离子和镁离子含量分别为12.1mM和54.7mM，因此推测额外添加的10mM钙离子和镁离子可能不足以对小球藻的生长产生显著影响，因此导致多种分析手段均未能检测到小球藻细胞胞外聚合物发生变化。此外，依托所在团队材料技术优势，利用火焰喷涂和电弧喷涂成功构建多种具有优异抗海藻贴附性能仿猪笼草SLIPS表面，为大规模、低成本制备优异海洋防污表面提供了基础。