光合蓝细菌镉耐受调控机理的研究及应用

Environmental pollution caused by metal cadmium is increasingly becoming a serious problem, and the removal of toxic metal cadmium by cyanobacteria has been demonstrated as a very promising approach. However, cyanobacteria have very low tolerance to cadmium, which limits the application of metal cadmium removal in biological treatment of sewage employing cyanobacteria. Our recent study has led to the discovery of a novel response regulator Sll0649 for its role in affecting cadmium tolerance in the model cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. To further decipher regulatory mechanism of cadmium tolerance in cyanobacteria, in this proposed research, 1) CHIP-seq analysis and functional characterization will be employed to identify important cadmium tolerance related genes regulated directly by the response regulator Sll0649 in Synechocystis sp. PCC 6803; 2) the rational design and construction of cadmium tolerant strains of Synechocystis sp. PCC 6803 will be conducted employing synthetic biology strategies.

金属镉引起的环境污染已成为一个严重的环境和健康问题，需要对污染源进行有效地处理。现有研究证明通过光合蓝细菌来去除污水中的有毒金属离子Cd2+是一个很有应用前景的处理方法。然而，蓝细菌对金属镉有着很低的耐受性，限制了蓝细菌在生物法处理高浓度金属镉污水中的应用。我们的近期研究首次发现双组分系统应答调控蛋白Sll0649参与调控光合蓝细菌集胞藻（Synechocystis sp. PCC 6803）对Cd2+的耐受性，为了深化对集胞藻镉耐受机制的理解以及为构建高耐受性工程蓝细菌奠定重要的理论基础，本项目将：一）使用CHIP-seq技术鉴定集胞藻中受应答调节子Sll0649直接调控的和镉耐受性相关的下游靶基因，并完成重要靶基因的功能解析；二）应用合成生物学策略，理性设计和构建镉耐受性有所提高的集胞藻工程改造菌。

镉离子由于自身较高的毒性和在化石燃料燃烧以及电池行业的应用，对整个生态环境以及人类身体健康造成了严重的威胁。蓝细菌是地球上最主要的原核生物之一，研究表明，它们能够有效地去除废水中的金属离子。然而，蓝细菌对于镉离子的耐受性很差，限制了它在这一方面的进一步应用。为了提高蓝细菌的镉离子耐受性，必须首先了解其对于高浓度镉离子的响应机制。为了鉴定镉离子耐受性相关的应答调控蛋白Sll0649的下游调控位点，我们首先使用DAP-chip的方法，鉴定与Sll0649直接结合的DNA位点。结合qPCR与电泳迁移率变动分析的结果表明，slr0946的上游启动子区域得到了富集，说明与Sll0649蛋白具有相互作用。进一步的功能分析表明slr0946确实参与了集胞藻PCC 6803的Cd2+耐受性。接下来，我们通过在野生株中过表达镉离子耐受性相关的基因，成功的提高了野生株的Cd2+耐受性。研究为蓝细菌应用于Cd2+去除提供了更多的理论依据的同时，构建的工程菌株为进一步研究Cd2+耐受菌株奠定了良好的基础。其次，我们通过实验室驯化的方法驯化出一株能耐受高达9.0 µM硫酸镉的稳定驯化株。随后，运用基因组重测序的技术，相比于野生株，在驯化株中鉴定出9个突变位点。在这些突变中，编码阳离子或药物外排系统蛋白的slr0454在发生大片段缺失后被发现与镉离子的耐受增强有关。同时，实验证明了另外5个与提高镉离子耐受相关的基因和突变。本研究确定了在蓝细菌中6个与镉离子耐受相关的基因和突变，也展示了实验室驯化在耐受性修饰方面的可行性，这也为蓝细菌中镉离子耐受机制提供了有价值的信息，同时也为蓝细菌稳定性和耐受性改造提供了有用的见解。