第4章微生物抗不利环境的分子基础

第四章 微生物抗不利环境的分子基础课时：4 学时授课方式：讲授+讨论 开课时间：2014年秋季学期

主要内容微生物耐受低温的分子机制

微生物耐受高温的分子机制微生物抗酸的分子机制 微生物抗高浓度NaCl的分子机制 低营养环境中微生物的生长机制 嗜压微生物的分子生物学 微生物抗辐射的分子机制

微生物抗重金属的机制

研究极端环境中微生物的意义研究其强而稳定的特殊结构、机能和遗传基因以及应答

因子，对阐明物种起源、生物进化具有重要意义研究其生理生化特性，可用于量度地球上生命生存的理 化极限，对探索宇宙星球上的生物有参考价值 可探索出新的生理生化途径，生产新的酶和新的生物制 剂，应用于特殊环境条件，如煤脱硫、冶炼金属、生物 修复、处理有毒废水、高压深油井探矿、纤维素高温发 酵产酒精等

微生物耐受低温的分子机制嗜冷微生物(Psychrophiles)

低 温 微 生 耐冷菌(Psychrotrophs) 物 0~5℃可生长繁殖，

0℃以下或3~20℃能生长的微生物 最适生长温度不超过15℃ 最高生长温度不超过20℃ 嗜冷微生物多为G-细菌，G+细菌相对较少

最适生长温度可达20℃以上的微生物

嗜中温微生物(Mesophilies)13~45℃下能生长的微生物

微生物耐受低温的分子机制某些低温环境中的微生物低温环境 微生物 芽孢杆菌 丁香假单胞菌 节杆菌，短杆菌 节杆菌，假单胞菌，黄杆菌 假单胞菌，弧菌，黄杆菌， 不动杆菌和各种粘细菌 噬纤维菌 固氮菌 地球两极的土壤 在1℃下固氮 -5℃-18℃ 生长或生存温度 0℃ -2 ℃

高空南极上空 冰川，山洞

低温湖泊长期冻结的湖泊

芽孢杆菌，微球菌

-7 ℃

微生物耐受低温的分子机制分离地点

Brachybacterium sp.

Guliya sp.

Paenibacillus sp.

Methylobacterium sp.

南极东方湖(Lake Vostok) 3593m处的冰芯中分离到 的四株活细菌Environmental Microbiology, 2001: 3(9), 570-577

微生物耐受低温的分子机制主要包括以下几种机制通过调整细胞膜酯类的组成来适应低温环境 低温微生物的蛋白质和低温酶 低温微生物通过产生冷激蛋白适应低温环境

热激蛋白的作用RNA降解体的作用 冷冻保护剂的作用 形成活的非可培养细胞 交叉适应反应

抗冻蛋白的作用

微生物耐受低温的分子机制 调整细胞膜酯类组成适应低温环境增加不饱和脂肪酸比例，使细胞膜脂 类处于流动状态，保持物质转运能力 和酶活力(电子传递),增加不饱和 生 长 在 5℃ 的 脂肪酸的组入，增加不饱和脂肪酸的 南极好氧菌， 合成

细胞脂质总脂 缩短脂肪酸链的长度，增加脂肪酸支 肪棕榈油酸、 链的比例，减少环状脂肪酸的比例等 油酸等

不饱和 (有利于膜脂熔点的降低并在低温下 脂肪酸的含量 保持液晶态) 超过90%脂含量升高、膜面积增大(有利于提 高菌体细胞对营养物质吸收能力)

微生物耐受低温的分子机制 微生物可以产生冷激蛋白(cold shock protein) 适应低温环境 当生长温度从21℃降至5℃时，嗜冷酵母能在 12h内合成26种冷激蛋白 Escherichia coli冷激蛋白CspA晶体结构

Schindelin et al., 1994, Proc. Nati. Acad. Sci. USA, 91: 5119-5123.

Case:生物阴极还原氯霉素电极微生物应对温度改变的响应Concentrationm of CAP (mg/L)40 90000

Peak area of product AMCl

A

Functional Gene categoriesAll functional genes Antibiotic Resistance Carbon Cycling Metal Resistance Nitrogen Cycling Organic Remediation Phosphorus Utilization Sulfur Cycling Stress Genes

Adonis F 3.02 3.05 2.95 3.26 2.77 3.10 3.88 2.68 2.921.0 1.0

Anosim R P

MRPP δ P 0.014 0.013 0.012 0.012 0.015 0.015 0.012 0.015 0.018 0.025

P

30 60000 2025oC (CAP) 25-10oC (CAP) 25oC (AMCl) 25-10oC (AMCl)

0.001 0.47 0.001 0.43 0.011 0.42 0.002 0.52 0.011 0.44 0.001 0.48 0.010 0.45 0.001 0.47 0.034 0.36

0.021 0.19 0.017 0.22 0.019 0.17 0.014 0.19 0.017 0.17 0.020 0.22 0.14 0.022 0.19 0.013 0.25 0.027 0.20

30000

10

0.001 0.66 0.014

0 40

0 180000

Concentrationm of CAP (mg/L)

Peak area of product AMCl

B30 120000 2010 C (CAP) 10-25oC (CAP) 10oC (AMCl) o 10-25 C (AMCl)o

e transfer related genes 2.840.4 0.4 0.3 0.3DCA2 (8.9%) DCA2 (8.9%)

-

A A

biocathode(10-25 biocathode(10-25 C) biocathode(10 biocathode(10 C)O O

O

B B0.5 0.5DCA2 (18.4%)

0.2 0.2 0.1 0.1 0.0 0.0

0.0 0.0 -0.5 -0.5 -1.0 -1.0 16SrRNA rRNA gene data 16S gene data -1.5 -1.5 -1.2 -0.6 -0.6 0.0 0.6 1.2 1.2 -1.2 0.0 0.6 DCA1 (29.5%) DCA1 (29.5%)

60000

10

-0.1 -0.1 -0.2 -0.2 Functional Functionalgenes genes (GeoChip (GeoChip data) -0.3 -0.3 -0.3 -0.3-0.2 -0.2-0.1 -0.1 0.0 0.0 0.1 0.1 0.2 0.2 0.3 0.3 0.4 0.5 DCA1 DCA1(28.5%) (28.5%)

0 0 5 10 15 Time (hour) 20 25

0

1.8 1.8

CAP降解能力机会未随温度扰动而改变，但是电极微生物群落结构和 组成的确发生了很大变化 Wang A* et al. ES&T,2014

Case:生物阴极还原氯霉素电极微生物应对温度改变的响应Total normalized signal intensity Normalized signal intensity Normalized signal intensitybiocathode (10-25OC) biocathode (10OC)

Normalized signal intensity

Normalized signal intensity

240 200 160 120 80 40 20 10 0

15010-25 CO

10-25 C 10 CO

O

**

**

350 300 250

Cytochrome c

120 90 50 40 30 20 10 0

10 C

O

200 150 100

500 450 400 350 300 250 100 50 0

** Heat shock protein * * **4 2 8 0 a_2 gma_3 gma_3 gma_7 si si si

**

**L K dna groE E grp S A hrc GroEO

50

tota

l

0

sigm

*** ***

Genus (%)

r r ter nella ilium total cte ibrio cte nas bac oba ulfov yxoba domo o wa iph d e e G Des om seu Rho Sh Acid r P ae AnNormalized signal intensity60 50 40 30 20 10 5 10-25 C 10 CO O

90 75 60 45 30 15 0

6 10-25 C 5 10 CO

16S data: dominant genus

**

2 1

Hydrogenase

0 s s io ia m m m er lla onas ccus ccus e t l act sculu cteriu fovibr coccuaculu coccu ersin o u o b m c c o o Y r rpu ba sul cto sob ino t i Ra Aero Vago ntero C co eto De I La E dam no Ac Aci tha e M

***

rio ter ter es lla ter as um ed tal vib obac obac ccoidwaneobac mon cteri ultur To o f l su Ge hod loco She myx eudolfoba Unc R ha De ro Ps su ae De De An

0

温度切换并未显著改变电子传递基因 10℃富集冷适应性细菌Aeromonas 和 Vagococcus,温度升至25℃时热激蛋白得到 富集，同时Raoultella属也得到富集

Wang A* et al. ES&T,2014

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