高效矿物风化细菌与硅酸盐矿物相互作用的分子机制研究

The interaction between primary silicate minerals and microbes is an important ecological process in the Earth's surface system and plays a profound influence on the ecological processes in the soils, such as rock weathering, mineral formation and evolution, soil formation, availability of soil nutritions as well as the global climate changes. In this study, two efficient mineral-weathering new bacterial species（Bacillus dongxiangensis and Chitinophaga jiangningensis）and two common silicate minerals (feldspar and biotite) are used as the tested bacteria and minerals. The effect of the bacteria on the mineral weathering and the effects of the minerals on the growth, metabolism, and distribution on the mineral surfaces of the bacteria are investigated by an improved culture method and the modern instrument analysis. The complete genome sequences and the weathering-related genes as well as the up-, and down-stream sequences are analyzed and the functions of the mineral weathering-related genes are further verified by the molecular biological methods (such as genomics, transcriptomics, gene knock-out, insertion mutation) and bioinformatics analysis. The expected results will not only provide the experimental basis for the improved insight into the interaction between bacteria and minerals and the molecular mechanisms involved but also provide the bacterial resources for the utilization of the efficient mineral-weathering bacteria.

硅酸盐矿物与细菌相互作用是地球表层系统中重要的生态过程，对土壤中的一系列生态过程产生深远影响，如岩石风化、矿物形成和演化、土壤形成、土壤养分有效性及其全球气候变化等。本项目以2株高效矿物风化细菌新种（Bacillus dongxiangensis 和Chitinophaga jiangningensis）为供试菌株，以常见的硅酸盐矿物（钾长石和黑云母）为供试矿物，采用培养方法结合现代仪器分析技术，研究菌株对矿物的风化效能，矿物对菌株生长、代谢及其在矿物表面分布和活性的影响；采用基因组学、转录组学、基因敲除、插入突变等技术结合生物信息学分析手段重点分析高效矿物风化细菌全基因组序列以及与矿物风化相关的基因及其上下游序列，并进一步验证与矿物风化相关基因的功能。预期研究结果不仅可以为深入阐明细菌-矿物相互作用的分子机制提供实验依据，而且可以为高效矿物风化细菌的应用提供优质菌种资源。

硅酸盐矿物与细菌相互作用是地球表层系统中重要的生态过程，对土壤中的一系列生态过程产生深远影响，如岩石风化、矿物形成和演化、土壤形成、土壤养分有效性及其全球气候变化等。本项目以2株高效矿物风化细菌Rhizobium yantingense H66和Rhizobium pusense S41为供试菌株，以钾长石和黑云母为供试矿物，采用培养方法结合现代仪器分析技术，研究菌株对矿物的风化效能，矿物对菌株生长、代谢及其在矿物表面分布和活性的影响；采用基因组学、转录组学、基因敲除、插入突变等技术结合生物信息学分析手段重点分析高效矿物风化细菌全基因组序列以及与矿物风化相关的基因及其上下游序列，并进一步验证与矿物风化相关基因的功能。结果表明，菌株H66通过提高其有机酸的合成能力和有机酸的种类以及提高菌株在钾长石表面的吸附来促进菌株对矿物的溶解；菌株S41基因组含有一条环状染色体和一条线型染色体，且具有许多与细菌吸附、多糖合成等直接相关的基因（簇）。同时，在线型染色体上鉴定到两个属于群体感应系统的关键基因traI和traR。菌株S41至少可以合成6种不同结构的AHL，单突变株S41ΔtraI和S41ΔtraR合成AHL的活性、风化黑云母的能力以及合成生物膜、胞外多糖及在矿物表面吸附等比野生株显著降低。在静置培养2 h时，双突变株S41ΔtraIΔtraR相比野生株，有47个基因上调，106个基因下调，通过对下调基因进行基因注释和KEGG通路富集分析，菌株S41中多个与铁离子转运、糖运输、菌毛合成和水解ATP有关的基因表达发生下调，下调程度最显著的8个基因属于细菌Ⅳ型分泌系统。其中包括编码ATP水解酶的基因virB4、virB11和virD4，编码菌毛蛋白的基因virB2、virB3和virB5，编码内膜和外膜通道蛋白的基因virB10和virB9。与野生株相比，突变株S41ΔvirB234生物膜合成和矿物风化能力显著减少。研究结果不仅可以为深入阐明细菌-矿物相互作用的分子机制提供实验依据，而且可以为高效矿物风化细菌的应用提供优质菌种资源。