土壤活性颗粒与信号分子CSF的互作及其对Bacillus subtilis自然转化的影响

Bacterial quorum sensing induced by signal molecules is a cell density dependent physiological response, which involves gene regulation. It plays essential roles in microbial ecology, gene transfer and regulation of the function and activities of beneficial and hazardous microorganisms in soil ecosystems. In this project, Bacillus subtilis, a typical soil bacterium will be employed; Red soil, Brown soil, Black soil and different clay minerals are selected. The binding mechanisms of competence and sporulation factor (CSF) molecule on soil reactive particles will be investigated by chemical equilibrium adsorption, interactive functional groups, heat effect, interaction forces and micro-morphological changes using classical chemical methods combined with modern analytical techniques including Fourier transform infrared spectroscopy, atomic force microscope, microcalorimetry and confocal laser scanning microscope. The impacts of interactions between CSF molecules and soil particles on the natural transformation of Bacillus subtilis will also be evaluated. The results obtained from this study will enrich the theories and expand the knowledges in the fields of soil microbial ecology, soil microbiological genetics and evolution, and soil mineral-organic matter-microorganism interactions. The findings will also provide scientific basis for the safe utilization of genetic engineering technology in soil environments.

信号分子诱导的细菌群体感应是细菌生长到一定密度时相互感应并进行基因表达调控的一种生理行为，在土壤微生物生态、土壤基因转移、有益和有害微生物功能和活性调控等方面起着重要作用。本项目选取土壤中的典型细菌菌株枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和红壤、棕壤、黑土等代表性土壤以及不同类型粘粒矿物，运用经典化学方法和红外光谱、原子力显微镜、微量热、激光共聚焦显微镜等现代分析技术，从土壤颗粒对胞外感受态信号分子CSF的化学平衡吸附、CSF与土壤颗粒结合的功能团、热效应、作用力及微观形态等方面，考察信号分子CSF与土壤颗粒结合的机制及其对枯草芽孢杆菌自然转化的影响。研究结果将丰富土壤微生物生态、土壤微生物遗传进化、土壤矿物-有机物-微生物相互作用等学科和方向的理论内容，拓宽有关研究领域，为基因工程技术在土壤环境中的安全应用提供科学依据。

课题选取枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、恶臭假单胞菌（Pseudomonas Putida）及其信号分子CSF、(p)ppGpp 和c-di-GMP，运用化学方法、现代分析技术和分子生物学方法，研究了代表性土壤粘粒矿物蒙脱石、高岭石和针铁矿等对胞外感受态信号分子CSF的化学吸附机制、矿物-细菌互作特征、信号分子调控生物膜的作用以及矿物体系中细菌的转化过程与模型等。基本阐明了土壤粘粒矿物对信号分子的吸附特点，揭示了信号分子(p)ppGpp 和c-di-GMP调控假单胞菌生物被膜的作用机制，提出了土壤粘粒矿物影响细菌转化的三种模式，涉及矿物对信号分子的吸附、细菌对DNA的吸收以及矿物对细菌的膜损伤。研究结果丰富了土壤微生物生态、土壤矿物-有机物-微生物相互作用等学科和方向的理论内容，为基因工程技术在土壤环境中的安全应用提供了科学依据。研究成果在Environmental Microbiology、Applied & Environmental Microbiology、Microbiological Research等SCI期刊发表9篇论文及1篇中文核心期刊论文。作为召集人，组织了在西班牙巴塞罗那举行的Goldschmidt大会矿物-微生物互作分论坛，组织在武汉召开了第二届中澳环境生物地球化学论坛。在第24届环境生物地球化学（ISEB）、第8届土壤矿物-有机物-微生物相互作用(ISMOM)等国内外重要学术会议做口头报告和邀请报告4次。培养研究生6人，博士后1人。