基于pseudom缩影的chea基因在硫磷降解中的应用

基于pseudom缩影的chea基因在硫磷降解中的应用

微生物对环境污染物的分解效果不仅取决于分解能力本身，还取决于生物的适应性以及随后的微生物和本土微生物之间的相互作用。细菌的趋化性(chemotaxis)是细菌响应环境化学物质梯度的移动,是细胞对碳源、能源竞争的一种表现。近几年来,细菌趋化性与降解性之间的关系研究开始受到科研工作者的关注,许多研究表明细菌的趋化性和降解特性之间存在密切关系。趋化性可以使降解菌株有效地感应到污染物,增加污染物周围的细菌密度,提高污染化合物的生物降解性。而且,趋化性可以增加细菌寻找合适碳源和氮源的机会,使细菌在有限碳、氮源环境中与土著微生物的竞争中表现出优势。趋化反应过程中负责信号转导的相关基因相对保守,研究也比较成熟,在大肠杆菌(Escherichiacoli)、Salmonellaserovar、Pseudomonasaeruginosa、P.putida、Hizobiumleguminosarum和Rhodobactersphaeroides等菌属中都进行了许多研究,其信号转导的过程主要通过甲基酯酶(CheB)和甲基转移酶(CheR)调节趋化受体蛋白(MCPs)(methyl-acceptingchemotaxisproteins)的甲基化来影响组氨酸激酶(CheA)的磷酸化,再来调节反应调节蛋白(CheY)的磷酸化,而CheY与鞭毛马达开关结合,直接决定着鞭毛的旋转方向。本文以本实验室分离到的一株高效甲基对硫磷(MP)的降解菌株P.putidaDLL-1为研究对象,通过游动平板法,发现该菌株对MP同样具有趋化性。通过基因打靶使DLL-1菌株中单拷贝的趋化信号转导基因(cheA)失活,验证该趋化突变株在土壤原位条件下对MP的降解能力的变化,研究趋化性和降解性之间的关系,阐明趋化性在农药原位降解中的作用。1材料和方法1.1材料表面1.1.1蘑菇和颗粒本实验中使用的菌株和质粒见表1。1.1.2药物、试剂和仪器限制酶、碱性磷酸酶、T4DNA连接酶、LATaq酶购自TaKaRa公司,抗生素购自江苏创瑞公司,DNA片段纯化回收试剂盒购自Genbase公司,所用引物由TaKaRa公司合成,气相色谱专用试剂均为色谱纯,其他试剂均为分析纯。80%的MP原药购自浙江嘉化集团股份有限公司。气相色谱型号为GC-14B。1.1.3配套药物的添加①无机盐、LB培养基配方见参考文献;②LBM培养基:LB中加100μg/mL的MP;③SLB培养基:LB中添加5%的蔗糖。根据实验需要再添加相应的抗生素,如:氨苄青霉素(Amp)为100μg/mL,卡那霉素(Km)为50μg/mL,链霉素(Str)为50μg/mL。④趋化培养基:每升含(NH4)2SO41.0g,K2HPO40.7g,KH2PO40.3g,MgSO40.2g,NaCl0.5g,pH7.0,琼脂糖0.2%。⑤趋化缓冲液:40mmol/LK3PO4,0.05%甘油,10mmol/LEDTA,pH7.0。1.2细菌培养E.coli和P.putida分别于LB培养基中37℃和30℃培养。1.3dna的制备、纯化细菌总DNA的制备、酶切、酶连、载体脱磷、E.coli普通感受态制备、转化、质粒提取等操作方法见参考文献;DNA的回收纯化按照试剂盒说明书进行;DNA测序委托TaKaRa公司完成;实验中所用的引物及PCR扩增条件列于表2。1.4cma和pmwd扩增参照模式菌株P.putidaKT2440的全基因组序列,根据保守序列设计扩增编码组氨酸激酶磷酸化的基因(cheA)引物(表2),扩增目的条带cheA。将扩增的cheA片段与pMD18-T载体连接获得pMDA。以pSC123为模板,引物KF和KR扩增出含启动子的Km抗性基因片段,两端同时引入BglⅡ酶切位点,连接到pMD18-T载体上,命名为pMDK。XhoⅠ和BamHⅠ双酶切pMDA,将2kb左右的cheA大部分片段连到同样酶切的pWM91质粒载体上,转化E.coliDH5αλpir获得pWMA。用BglⅡ分别单酶切pWMA和pMDK,分别回收10kb的pWMA线性片段和1kb的Km片段,将Km片段连接到pWMA的BglⅡ酶切位点,获得cheA片段中间插入Km基因的同源重组打靶载体pAK,最终将pAK转入E.coliDH5αλpir。图1为同源重组载体构建的具体路线。1.5菌株的制备和膜的制备将供体菌、受体菌、辅助菌在各自培养基中培养至对数中期,8000r/min离心回收菌体,用无菌水洗涤1次,浓缩后按1∶1∶1混合3种菌液于微孔滤膜(0.22μm)上,过滤除去滤液,置于不含抗生素的LB培养基上30℃培养,24h后用无菌水洗下菌体,直接涂布于含100μg/mLAmp、50μg/mLKm和50μg/mLStr的LB平板上。1.6细菌趋化反应游动平板分析法(Swarmplateassay):取处于对数生长期的细菌培养液,收集菌体,用趋化缓冲液洗涤,悬浮于趋化缓冲液中,滴加10μL(约106个细胞)于以受试底物(100mg/kg的MP)为唯一碳源的趋化平板中央,培养一定时间,如果细菌对所测化合物产生趋化反应,就会在平板上形成很大的菌落圈。1.7培养液中od值的测定将两个菌株分别培养至对数期,调节使OD600值一致,分别取1mL培养液接种于装有等体积LB的三角瓶中,震荡培养,每隔一段时间取3mL培养液用分光光度法测定OD值。本试验重复3次。1.8接种1d样品的制备取菜园土,风干,过20目筛,100g灭菌与100g未灭菌土壤中各加入50mg/kg的MP。将菌株DLL-1与DAK分别培养至对数生长期,调节OD600值一致,用无菌水洗涤菌体1次。接菌处理中分别接种DLL-1与DAK菌体,接菌量尽量保持一致(通过平板计数确定),接种量控制在105～106个/g土,分别于12h、24h、36h、48h、3d和5d取样测定农药浓度。本试验重复3次。MP的气相色谱检测:每个处理取10g土,加2倍体积的丙酮,剧烈震荡3min,静置过夜,取2mL挥发定容至1mL,去水相,过无水Na2SO4柱,收集流出的丙酮液体,气相色谱检测。2结果和分析2.1趋化圈的生长菌株DLL-1在100μg/mL的MP为唯一碳源的趋化培养基中显示出明显的趋化性,4h、36h、3d的趋化情况如图2-A,4h时趋化圈不够明显,但肉眼可观察到(照片显示不出),通过图2-B中数据显示,随着时间的延长,趋化圈也随之增大。随着趋化物浓度的升高,趋化圈随之明显扩大。当MP浓度达到500μg/mL时,趋化圈开始明显减小,可能是高浓度的MP导致菌株出现负趋化。2.2同源重组单交换子的筛选成功地在菌株DLL-1染色体中扩出2.2kb左右目的条带cheA片断,测序结果表明该片段与KT2440中cheA基因同源性在99%以上。通过三亲接合的方法将同源重组打靶载体pAK转入到受体菌DLL-1中,因pAK为R6K复制位点不能在DLL-1中自主复制,在Str、Km和Amp三抗平板上筛选出来的即为同源重组单交换子。将同源重组单交换子在无抗生素的液体培养基中培养过夜,稀释涂布于含5%蔗糖的Str和Km平板(SLB)上,挑取能生长的具有双重抗性的单菌落即为阳性同源重组双交换子,即为cheA基因被Km抗性基因插入失活的突变株,命名为P.putidaDAK。2.3药代动力学pcr扩增结果提取P.putidaDAK总DNA,分别用引物AF和KR、AF和KF、KF和AR扩增(图3-A),扩增结果如图4-B。由于引物AF和AR、KF和KR分别设计在cheA和Km基因片段上,因此,通过PCR扩增能够确定Km基因是否插入到cheA位点。用引物AF和KR扩增出2.8kb左右的条带,AF和KF没有扩增出条带,KF和AR扩增出1.4kb左右的条带,PCR结果证明了Km基因确实插入到cheA基因位点。2.4dak对mp的趋化性图4为野生菌株DLL-1和突变菌株DAK生长曲线。从图中可以看出DAK中cheA基因突变后和DLL-1菌株在LB培养基中生长情况基本一致,表明Km基因插入到cheA位点对受体菌的生长速率没有显著影响。将趋化突变株DAK与野生株DLL-1按同等条件接种到含100mg/kgMP的无机盐培养基中,每隔1h取样,过气相色谱检测残留的MP的量。结果显示(图5),野生和突变株在液体摇瓶中,对农药的降解效率几乎没有差异,说明在动态环境中,菌体与趋化物充分接触,对其降解能力影响不大。采用游动平板法验证突变株DAK对MP的趋化性。图6为12h、36h和3d对MP的趋化性,结果表明突变株DAK丧失了对MP的趋化性。菌株DAK中cheA基因的失活阻碍了组氨酸激酶的磷酸化,中断了整个信号转导过程,阻断了鞭毛的运动,导致菌体不能游向趋化物,丧失了趋化性。2.5趋化突变株对mp的降解效率和降解速率的影响将趋化突变株DAK与野生株DLL-1按同等条件接种到含50mg/kgMP的未灭菌和灭菌的土壤中,每隔一定时间取样,过气相色谱柱检测残留的MP的量。结果显示(图7),DLL-1对MP的降解效果明显,3d后几乎全部降解了,而同等条件下,趋化突变株DAK和DLL-1相比,降解效率不如野生菌株快,在未灭菌土壤中,36h内其降解速率比原始菌株低约20%,在灭菌土壤中低约30%。农药在灭菌的土壤中的降解速率低于未灭菌土壤,这跟土壤中存在的有机质含量以及其他菌群有关,有些土著微生物对农药有一定的降解作用。以上表明在土壤中,菌株趋化性的丧失对MP的降解是有一定影响的。对于野生菌株而言,菌株的趋化特性对农药的降解能力有促进作用,要想趋化突变株达到同样的降解效果,必须加大施菌量。3生物可再生物酶系统的检测细菌的趋化性在化学污染物的原位降解中发挥重要作用。Witt等最早在实验室微宇宙系统中发现趋化性能促进细菌对沉积物中四氯甲烷污染物的生物修复。Marx等通过比较野生菌株P.putidaG7、趋化突变株和非游动菌株对萘的降解,发现野生菌株的降解速率最快,如果要同样达到相同的降解效果,趋化突变株的细胞浓度要比高出几倍。Pedit同样证实了非趋化性菌株要达到趋化性菌株对萘相同的降解效果时,其数量也须高出几倍。Lanfranconi等从汽油污染的土壤中分离到一株脂肪烃降解菌Flavimonasoryzihabitans,该菌对分离源土壤中存在的十六烷烃等链烷烃具有趋化性,结果表明趋化性在污染物的降解过程中有重要作用,有利于降解菌株与底物之间的接触,增强生物降解效果。Ortega-Calvo等首次评价了根圈中多环芳烃(萘、菲、蒽及芘)降解菌的趋化性在污染物植物修复系统中的作用。他们在煤炭和石油污染的土壤中分离了20余株多环芳烃趋化性降解菌株,研究发现细菌的趋化性使根圈中降解性细菌数量增加,提高了污染物的生物可利用性,促进了根圈中多环芳烃的降解。P.putidaDLL-1能以MP为唯一碳源、氮源生长,通过游动平板法发现该菌株对MP表现出很强的趋化性,随着农药浓度的增加,趋化能力也增强