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鞘氨醇杆菌FY-1还原挥发二甲基砷的分子机制研究

批准号:
42077210
项目类别:
面上项目
资助金额:
57.0 万元
负责人:
黄科
依托单位:
学科分类:
环境生物学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
黄科

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
五价二甲基砷(DMAs(V))是土壤中微生物砷甲基化的主要产物,其在水稻中的积累可诱发水稻直穗病,导致减产。土壤中的一些微生物可将DMAs(V)还原挥发为气态的二甲基胂化氢(DMAs(III)H),该过程有可能用于消减环境中DMAs(V)残留。目前关于该过程的研究刚刚起步,机理尚不清楚。在近期的研究中,申请人从一份水稻直穗病发病土壤中分离到一株好氧DMAs(V)挥发菌株Sphingobacterium sp.(鞘氨醇杆菌)FY-1,初步研究表明该菌株具有很强的DMAs(V)挥发能力,外源添加该菌株能促进稻田土壤的DMAs(V)挥发能力。本项目将基于前期的研究积累,采用基因克隆、基因序列与转录分析、酶学研究等手段,鉴定并功能验证菌株FY-1中负责DMAs(V)还原挥发的基因。预期目标是阐明菌株FY-1挥发DMAs(V)的分子机制,为后续利用生物手段消减DMAs(V)残留提供理论支撑。
英文摘要
Dimethylarsenate (DMAs(V)) is a main product of arsenic methylation by soil microorganisms. The accumulation of DMAs(V) in rice can induce straighthead disease, resulting in yield losses. Some soil microbes can reduce DMAs(V) to produce volatile dimethylarsine (DMAs(III)H); this ability may be explored as a potential bioremediation method to eliminate DMAs(V) residue in the soil. However, the research about this biological process is just beginning, and the related mechanisms involved are still unclear. We have recently isolated a pure cultured aerobic DMAs(V)-volatilizing bacterial strain Sphingobacterium sp. FY-1 from a paddy soil in which rice straighthead disease occurred. This strain possesses a strong ability to convert DMAs(V) to produce DMAs(III)H. We found that inoculation of strain FY-1 into the paddy soil enhanced the production of DMAs(III)H. The aim of this proposal is to clone and characterize the functions of the genes responsible for the reduction and volatilization of DMAs(V) in strain FY-1 by using the methods including gene cloning, gene sequence and transcription analysis and enzymological study. The results of the proposed research will elucidate the molecular mechanism of the reductive volatilization of DMAs(V) by strain FY-1 and provide a theoretical basis for bioremediation of the DMAs(V)-contaminated environments.
微生物介导的五价二甲基砷【DMAs(V)】还原挥发过程是砷生物地球化学循环的重要组成部分。本研究中,我们从一份砷污染的土壤中分离到一株具有DMAs(V)还原挥发能力的菌株Alcaligenes sp. FY-1,该菌株还原挥发DMAs(V)量比已报道唯一一株DMAs(V)挥发菌株Bacillus sp. CZ-2高4倍以上。向培养基中外源添加5种常见的还原酶辅因子,仅还原型谷胱甘肽(GSH)的添加可以显著抑制菌株FY-1还原挥发DMAs(V)的能力。敲除负责催化GSH合成第一步反应的谷氨酰半胱氨酸连接酶基因gshA会使突变菌株的GSH合成能力丧失,同时会使突变菌株还原挥发DMAs(V)的能力显著下降。以上结果表明,GSH在菌株FY-1介导的DMAs(V)还原挥发过程中扮演了重要的角色。为了调查在菌株FY-1还原挥发DMAs(V)过程中是否会产生三价二甲基砷【DMAs(III)】,我们以菌株FY-1为底盘生物开发了一个三价态砷响应型生物传感器。该传感器的主要元件ArarsR及其启动子源于菌株Arsenicibacter rosenii SM-1基因组中的ArarsRMC基因簇,ArarsR基因的编码产物有别于已报道的四种ArsR蛋白,是一种新型的三价态砷响应型转录阻抑蛋白。将元件PArarsR+ArarsR+mCherry连入质粒pBBRMCS2后转入菌株FY-1中,获得生物传感器FY-1(pBBRMCS2-PArarsR+ArarsR+mCherry),该传感器可以响应培养基中加入的DMAs(V),表明菌株FY-1还原挥发DMAs(V)的过程中会产生DMAs(III)。对菌株FY-1的基因组进行分析,共发现233个假定的氧化还原酶编码基因,对它们进行逐个敲除后发现,仅5个基因的敲除会影响菌株FY-1的DMAs(V)还原挥发能力,这5个基因分别是异戊酰辅酶A脱氢酶基因、Glu/Leu/Phe/Val脱氢酶基因、FAD结合型氧化还原酶基因、2-氧酸铁氧还蛋白氧化还原酶基因以及ABC转运蛋白周质蛋白编码基因,其中仅2-氧酸铁氧还蛋白氧化还原酶基因的异源表达可以赋予E. coli BL21更强的DMAs(V)还原挥发能力,这一结果表明该基因直接参与了菌株FY-1介导的DMAs(V)还原挥发过程。综上,本研究深入解析了菌株FY-1还原挥发DMAs(V)的分子机制。
Bacillus sp. CX-1砷甲基化的分子机制研究
  • 批准号:
    41703069
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    黄科
  • 依托单位:
国内基金
海外基金