海洋细菌Pseudomonas stutzeri 273对汞胁迫的遗传和生理适应机制

重金属污染是全球性的环境问题，在海洋环境中尤为严峻。我国工业的迅速发展导致重金属污染比较严重，而在各类重金属中汞的毒性比较大，并且难以降解，汞污染已经严重影响到了人类健康，如何健康合理地治理汞污染已经成为人类社会的热点。 汞介导的毒性是微生物生存的最大障碍之一，尽管抗汞微生物在汞污染环境的生物修复中担当着重要的角色,但细菌对汞胁迫的遗传和生理适应性机制仍然不清楚。在本研究中，我们发现一 株海洋细菌 Pseudomonas stutzeri 273 能耐受 50 µmol/L 的 Hg 2+ ，而且在该浓度下对 Hg 2+ 的脱除率高达 94% ，所以该菌株有潜力发展成为有效脱除 Hg 2+ 的工程菌。 通过对 P.stutzeri 273 的全基因组分析，发现该菌含有一个汞抗性基因簇，该基因簇包括三个编码跨膜转运 Hg 2+ 蛋白的基因（ merT 、 merE 和 merF ），一个编码细胞膜上 Hg 2+ 结合蛋白的基因 ( merP ) ， 一个编码汞还原酶的基因（ merA ），两个编码转录调节蛋白的基因（ merR 和 merD ）。进而 我们通过基因同源重组等分子遗传学方法研究了 P. stutzeri 273 的汞抗性分子机制： 逐个敲除了 P. stutzeri 273 中的 7 个汞抗性基因（ merE 、 merD 、 merA 、 merF 、 merP 、 merT 和 merR ）。通过观察野生型菌株和突变菌株在 不同 Hg 2+ 浓度 （ 0 、 20 和 50 μmol/L ）的固体 LB 平板上的生长状况，我们发现野生型菌株 P. stutzeri 273 可以在 50 µmol/L Hg 2+ 的平板上正常生长，而 Δ merA 和 Δ merT 这两个突变体无法在 Hg 2+ 浓度为 20 µmol/L 的培养基中生长；同时 Δ merP 和 Δ merD 突变株 在含 Hg 2+ 的培养基中生长受到了显著的抑制，而其它突变体则没有太大变化。由此我们推断 merT 、 merP 、 merA 和 merD 是该细菌抗汞作用中的关键基因。 此外，汞胁迫还能够抑制 P. stutzeri 273 的鞭毛发育、运动、趋化性和生物膜的形成。通过生理实验分析我们发现：随着 Hg 2+ 浓度的升高， P. stutzeri 273 的鞭毛在逐渐变短，运动能力明显下降，生物膜形成受到抑制；同时在 Hg 2+ 存在下， 它趋向无 Hg 2+ 环境的方向生长。 推测是因为细菌感受到周围环境中存在重金属汞的威胁，然后通过调节鞭毛的形成来降低游动能力，或者调节鞭毛来改变细菌的运动方向，从而降低环境中重金属汞对它的危害。另外 ，细菌的游动能力跟生物膜的形成也有一定关系，游动能力强的细菌更容易形成生物膜，正是因为细菌周围环境中存在重金属汞的威胁， P. stutzeri 273 不再向外游动或者游动缓慢，因此 导致生物膜的形成受到影响。通过转录组进一步分析，发现在汞的胁迫下， P. stutzeri 273 的 鞭毛发育、运动性、趋化性等相关基因的表达都受到显著下调，这与生理学实验结果是一致的。 通过遗传学和生理实验分析，我们发现缺失了 merF 基因的菌株，不再长出鞭毛，在固体 LB 平板上也丧失了游动能力，生物膜形成也受到了显著抑制。通过转录组和蛋白组数据分析发现， merF 基因的缺失显著改变了 P.stutzeri 273 中鞭毛基因和蛋白的表达量。因此， 我们推断 Hg 2+ 转运蛋白 MerF 可以决定鞭毛的发育、运动和生物膜的形成，并且在 P.stutzeri 273 适应汞胁迫过程 中起着重要作用。此外，在一些人类病原菌中也存在着 MerF 同源蛋白，鉴于 MerF 在鞭毛和生物膜形成中的重要作用，可以将其作为靶标筛选抑制相应病原菌的药物。 总而言之，我们的结果对研究海洋微生物对汞胁迫适应机制提供了一个独特视角，也为发展相应重金属脱除生物制品提供了理论依据和候选微生物。