细菌抗重金属镉和高效吸附镉的分子机制研究

Heavy metal cadmium pollution is one of the greatest concern environmental problems in recent years. Thus, it is imperative to research and development the environmentally friendly and low-cost method for the soil remediation. Several strains of Bacillus amyloliquefaciens that had different abilities on the cadmium resistance and adsorption were isolated and selected for the material of this study. In order to understand the cadmium resistant mechanism of bacterium, the analysis of the comparative genomics and transcriptomic under cadmium stress will be carried out to screen the genes related to the cadmium resistance. The key cadmium resistant genes will be confirmed by the CRISPR-Cas9 knockout, gene complementation and over-expression technologies. Then, the synergistic effect of the key genes and the regulation mechanism of cadmium resistance and adsorption will be figured out. On this basis, in order to repair the cadmium polluted soil, the engineering bacterial strains will be constructed using molecular modified genes. This study can help us to understand the cadmium response and resistant mechanism in bacterium. Moreover, it can establish the theoretical foundation for developing the techniques to remediate the cadmium polluted farmland soil.

土壤重金属镉污染已经成为近年来最受关注的环境问题之一，因此研究低成本环境友好的土壤镉污染的修复方法势在必行。本研究将以本实验室分离得到的对镉具有不同抗性及吸附能力的解淀粉芽孢杆菌为研究材料，分别利用比较基因组学和转录组学等技术，筛选解淀粉芽孢杆菌中与镉抗性及镉吸附相关基因。再利用CRISPR-Cas9基因敲除、缺失基因回补和基因过表达等技术验证关键蛋白的抗镉作用，在此基础上分析它们的协同作用和诱导表达调控机理，解析微生物高效抗镉及吸附镉离子的分子机制，进一步通过对相关关键基因的分子改良与设计，构建高效吸附镉离子的微生物工程菌用于镉污染土壤的微生物修复。本研究不仅可从理论水平上帮助人们认识微生物对镉离子的响应及抗性机制，还将为利用微生物来修复农田镉污染的应用技术研发提供理论依据。

农业种植环境重金属污染是日益严重的环境问题，尤其是近年来水稻田中镉污染已成为一个备受关注的污染问题，因此，研究低成本环境友好的土壤镉污染的修复方法势在必行。我们认为微生物在土壤镉污染的修复中发挥着重要作用，因此我们首先研究了镉污染稻田微生物的多样性，并分离鉴定了一批耐镉微生物，为镉污染土壤的细菌群落提供了基础数据，表明耐镉细菌在镉污染土壤的生物修复中具有广阔的应用前景。.其次是确定了微生物中与镉抗性相关的关键基因，明确了在大肠杆菌中编码蛋白CapB、Gor和HtpX的基因与镉抗性有关。我们还解析了安全菌株越南芽孢杆菌Bacillus vietnamensis 151-6和黄海芽孢杆菌Bacillus marisflavi 151-25高效抗镉离子的分子机制。根据基因组测序、镉胁迫下的转录组分析等实验，发现质粒p25中的一个基因簇是导致151-25耐Cd2+的主要因素。 p25中含有orf4802和orf4803，它们分别编码一个atp酶转运蛋白和一个转录调控蛋白。 虽然151-6对Cd2+的抗性远低于151-25，但它们含有相似的基因簇，但位置不同。 在越南芽孢杆菌151-6的抗Cd2+基因中，染色体上的orf4111、orf4112和orf4113分别编码一个atp酶转运蛋白、一个镉外排系统附属蛋白和一个镉抗性蛋白。虽然151-6的基因簇与151-25和已报道的金黄色葡萄球菌的基因簇相似，但其抗镉的转录调控机制并不相同。 本研究探讨了越南芽孢杆菌151-6和黄海芽孢杆菌151-25的抗镉机理，拓展了对镉的生物学效应的认识。 .水稻内生微生物不仅影响植物的生长，还可促进根对离子的吸收。因此，它们是一种大有潜力的、环境友好的可用于减少镉从土壤向植物芽和谷粒运输的好材料。我们从镉污染严重的水稻种植土壤中分离到一株Cd抗性内生细菌181-22，具有较高的Cd去除率(90.8%)，鉴定为朝鲜芽孢杆菌Bacillus koreensis。在镉胁迫下，与未接种植株相比，种子接种的定殖水稻的根和茎鲜重分别增加了44.4%和42.7%、干重增加了71.3%和39.9%，而水稻根、茎和籽粒的Cd含量明显分别降低12.8%、34.3%和39.1%。因此，朝鲜芽孢杆菌181-22具有保护水稻免受Cd胁迫的潜力，可作为生物肥料用于Cd污染稻田的生物修复。