产氢类球红细菌的群体感应系统功能研究

摘要

细菌通过产生信号分子来感知环境中自身与其他细菌的数量。当信号分子浓度随细菌密度的增加达到一定阀值时，整个细菌群落就会在群体水平上作出基因表达的调整，从而使细菌作出适应环境的变化，这一系统被称为群体感应(Quorum-sensing，QS)系统。 群体感应系统进行基因调节是细菌中一种非常普遍的现象，比如，群体感应可以诱导细胞进入稳定期，介导细菌群体移动等等，具有调控多种生理行为的能力。群体感应与细胞密度紧密联系，细胞密度的变化和营养物质有直接关系，所以群体感应与营养饥饿必然相关，而且群体感应信号分子也是微生物生长所必需的。 类球红细菌是光合细菌的主要成员之一，是光合产氢微生物菌种，能在光照厌氧异养条件下产氢。它是革兰氏阴性菌，目前发现其可以产生酰基高丝氨酸内酯7，8-cis-N-(tetradecenoyl)homoserine lactone，被命名为cer群体感应系统。研究类球红细菌的群体感应系统对细菌生长，饥饿复苏的影响，进而研究群体感应系统对细菌在能源利用上的调节，对细菌产氢这个生理行为的研究有指导意义。 基于群体感应的近自然培养法可以简单的模拟细菌间的信息传递机制，从而使细菌的生理行为与传统的培养方法存在差异。在实验中采取有孔培养平板，通过滤膜介导细菌间的信号传递，研究结果发现近自然培养的细菌在菌落表型上与传统培养方法存在差异，加入类球红细菌信号分子的同系物，发现细菌在平极上有移动和聚集的生理行为。在模拟自然的液体培养下，研究信号分子对细菌生长的影响，研究结果发现同属细菌的上清液作为培养液进行添加时，细菌的生长受到抑制。而直接加入信号分子同系物，细菌的生长同样受到抑制，而且信号分子浓度越大，细菌生长受到抑制的程度越高。 为研究信号分子对细菌饥饿存活以及复苏的影响，在实验中，分别在不同的培养条件下加入信号分子，通过测定总菌数和活菌数变化研究它对细菌数量上存在的影响，从而反映信号分子对饥饿状态下细菌的存活能力以及细菌复苏的影响情况。 研究结果发现：群体感应调节系统对不同生长阶段转入饥饿培养的细菌存在调控，对生长到对数期转入饥饿培养的细菌调控能力较强，可以在饥饿环境下保持较高活菌数。而在半饥饿培养的情况下，信号分子使细菌能更好的利用EDTA来维持活菌数量：在细菌通过高密度生长压力进入非可培养阶段后，信号分子的加入可以快速启动复苏。而在不同条件饥饿两周后，信号分子的存在也使细菌在复苏过程中活菌数量保持较高，同时发现避免氧的毒害可以更好的保持细胞活性。为研究信号分子对细菌在碳源利用上的调节功能，实验中采用外源的信号分子作为诱导物，并用Biolog-GN板研究细菌在正常培养以及饥饿24h后的培养状态下，信号分子的存在对细菌利用95种单一碳源带来的影响。研究结果发现：类球红细菌可以利用实验中的信号分子同系物，在6 h内启动对碳源的代谢调控。使饥饿后的细菌快速利用更多种类的碳源，来恢复细胞活力，使正常培养的细菌对碳源的利用程度更高；信号分子对碳源的调控，涉及到对通用能源ATP，NAD(p)H以及多种酶系参与的代谢途径的调控。 在研究细菌产氢部分，摸索了不同的外部条件对产氢的影响，如细菌活性，温度，光照强度，pH值。产氢是细菌在面对适宜的环境下作出的生理行为，而群体感应系统是很多胞内行为的总体调节系统，为说明群体感应与产氢间存在的关系，选择在产氢反应器中加入不同浓度的信号分子，通过测定产氢量以及在培养过程中活菌数的变化来证实信号分子对产氢的影响。 研究结果发现：处于对数生长期的细菌，接入培养基后产氢量较大；产氢优化的pH值在7.0～8.0范围内，碱性环境明显不利于该菌的催化放氢；光照强度在5000 lx～7000 lx之间适合产氢；产氢的适宜温度在30～35℃范围内；外源信号分子的存在对产氢存在影响，不同浓度的信号分子影响的程度不一样。在加入终浓度为10μM的信号分子后，细菌能明显的趋向于产氢的途径，产氢量高，同时发现在产氢高的同时，细菌的活菌数少。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章文献综述

1.1群体感应及其研究进展

1.1.1群体感应调节系统的调控机制

1.1.2基于QS系统的信息交流

1.1.3群体感应调控的生理功能

1.2产氢的类球红细菌及其群体感应

1.3研究目标和内容

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3拟解决的关键问题

参考文献

第2章类球红细菌的近自然培养

2.1材料和方法

2.1.1菌种来源

2.1.2培养基

2.1.3主要试剂

2.1.4菌株活化方法

2.1.5加入外液的培养方法

2.1.6加入信号分子的平板培养

2.1.7加入上清液的培养

2.1.8加入信号分子同系物的培养

2.1.9菌数测定方法

2.2结果与分析

2.2.1加入外液的培养方法

2.2.2加入信号分子的平板培养

2.2.3加入上清液的培养

2.2.4加入外源信号分子的培养

2.3讨论

2.4本章小结

参考文献

第3章信号分子对细菌饥饿存活和复苏的影响

3.1材料和方法

3.1.1菌株来源

3.1.2培养基

3.1.3主要试剂

3.1.4不同生长阶段的类球红细菌在加入信号分子培养基中的饥饿存活

3.1.5各生长阶段的细菌在加入信号分子的半饥饿培养基中的存活

3.1.6进入非可培养状态细菌的复苏

3.1.7不同饥饿条件后的复苏

3.1.8实验中菌数测定和分析方法

3.2结果与分析

3.2.1不同生长阶段的类球红细菌在加信号分子下的饥饿存活

3.2.2各生长阶段的细菌在加入信号分子的半饥饿培养基中的存活

3.2.3衰亡期细菌加入信号分子的复苏

3.2.4不同饥饿条件后的复苏

3.3本章小节

参考文献

第4章信号分子对碳源利用的影响

4.1材料和方法

4.1.1菌种来源

4.1.2试剂与仪器

4.1.3培养基

4.1.4 Biolog实验

4.1.5 Biolog数据处理方法及代谢分析

4.2结果与分析

4.2.1加信号分子培养下的平均颜色变化率

4.2.2加信号分子培养下的丰富度指数

4.2.3加信号分子培养下的多样性

4.2.4代谢谱分析

4.2.5细菌饥饿与群体感应

4.3本章小结

参考文献

第5章类球红细菌的产氢条件优化

5.1材料和方法

5.1.1菌株来源

5.1.2培养基和培养条件

5.1.3实验方法

5.1.4氢含量的测定

5.1.5活菌数测定方法

5.2结果和分析

5.2.1细菌不同初期活性对产氢的影响

5.2.2不同pH值对产氢的影响

5.2.3不同光照强度对产氢的影响

5.2.4不同温度对产氢的影响

5.2.5不同浓度的信号分子对产氢的影响

5.3本章小结

参考文献

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

附：在读期间参加的科研课题和发表的相关论文