应用蛋白组学和代谢组学技术解析集胞藻PCC6803对镉离子和乙醇的耐受机制

摘要

光合蓝细菌可以适应极端的生长环境，同时也可以通过基因改造生产一些有价值的生物产品，如生物燃料，本研究分两个方向，一是分析光合蓝细菌在镉离子胁迫下的耐受调控网络，二是分析其对生物燃料乙醇的耐受调控网络。
　　镉是环境的重要污染物，它对原核和真核生物均具有毒性，所以深入了解细胞对Cd2+的调控机制是非常重要的。目前仅报道了蓝细菌对抗Cd2+的代谢反应，而相关的调控机制仍然知之甚少。本研究中，发现集胞藻PCC6803中与Cd2+耐受相关的双组份信号传导系统反应调控蛋白编码基因sll0649，并通过进一步表型分析发现突变株sll0649对其它金属离子（Mn2+，Zn2+，Fe2+，Cu2+）也较为敏感。利用定量iTRAQ-LC-MS/MS蛋白质组学方法以及凝胶阻滞实验（EMSAs），发现Sll0649除了正调控和镉离子利用相关的基因（i.e.,slr0946）外，它还直接或间接地调控了转运其它金属离子相关基因的表达。此项研究从蛋白组水平上构建了反应调控蛋白Sll0649对Cd2+的耐受调控网络，并且为集胞藻金属抗性机制的研究提供了新思路。
　　乙醇的低耐受性是制约利用蓝细菌系统生产生物乙醇的重要因素，先前的研究发现一些转录调控因子参与了集胞藻的乙醇耐受调控。本研究通过筛选乙醇胁迫下34株转录调节因子编码基因缺失株，发现三个突变株（i.e.，sll1392，sll1712，slr1860）较野生株对乙醇更为敏感，所以这些基因可能参与了集胞藻乙醇的耐受调控。为了更深入了解其调控机制，采用GC-MS技术对野生株和三个突变株进行乙醇处理条件下代谢组学的分析，并利用主成分分析（PCA）和加权关联网络分析(WGCNA)对代谢组数据进行分析，有趣的是，这三个调控蛋白的调控途径之间存在着重叠的响应代谢物（i.e.，丝氨酸，蔗糖和棕榈酸甲酯），也就是说集胞藻中三个调控蛋白的乙醇耐受网络可能存在着重叠串扰现象。本研究的结果为研究集胞藻乙醇耐受调控网络提供了新见解，同时为构建集胞藻乙醇耐受工程菌奠定了理论基础。

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第一章 文献综述

1.1 集胞藻PCC 6803简介

1.2 重金属镉离子

1.3 生物燃料—乙醇

1.4 组学的发展简介

1.5 小结

第二章 与镉离子和乙醇耐受相关的调控蛋白的鉴定

2.1 实验材料与方法

2.2 实验结果与讨论

2.3 本章小结

第三章 结合蛋白质组学技术与EMSAs实验分析集胞藻在镉离子胁迫下Sll0649的调控机制

3.1 实验材料与方法

3.2 实验结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 基于代谢组学技术分析集胞藻的乙醇耐受调控机制

4.1 实验材料与方法

4.2 实验结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

附表