用代謝組揭示耐寒蠟樣芽孢桿菌D2對(duì)Ni (II)毒性的響應(yīng)機(jī)制
Ni (II) 廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，然而過(guò)量的Ni (II)會(huì)影響人類、動(dòng)物和植物的健康。先前研究發(fā)現(xiàn)耐寒蠟樣芽孢桿菌D2可以在低溫條件下修復(fù)Ni (II)污染土壤，但其對(duì)Ni (II)的抗性較低。2022年5月，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)李明堂教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Journal of Hazardous Materials (IF 14.224)雜志上發(fā)表了題為“Response mechanism of psychrotolerant Bacillus cereus D2 towards Ni (II) toxicity and involvement of amino acids in Ni (II) toxicity reduction”的研究成果，采用非靶向代謝組學(xué)，結(jié)合傳統(tǒng)方法對(duì)不同濃度Ni (II)處理的耐寒蠟樣芽孢桿菌D2進(jìn)行了響應(yīng)機(jī)制研究，發(fā)現(xiàn)Ni (II)影響菌株D2的氨基酸和ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的生物合成，添加氨基酸可恢復(fù)其生長(zhǎng)，為減輕Ni (II)對(duì)菌株D2的毒性提供了思路，有助于開(kāi)發(fā)對(duì)Ni (II)毒性更耐受的生物修復(fù)菌株。中科新生命提供了非靶向代謝組學(xué)檢測(cè)服務(wù)。
研究材料
耐寒蠟樣芽孢桿菌D2
技術(shù)路線
耐寒蠟樣芽孢桿菌D2
技術(shù)路線
步驟1：pH值和Ni (II)對(duì)菌株D2生長(zhǎng)的影響；
步驟2：Ni (II)對(duì)菌株D2形態(tài)結(jié)構(gòu)和ROS的影響；
步驟3：Ni (II)對(duì)菌株D2細(xì)胞周期的影響；
步驟4：Ni (II)對(duì)菌株D2代謝組的影響；
步驟5：外源添加氨基酸對(duì)Ni (II)處理菌株D2生長(zhǎng)的影響。
步驟2：Ni (II)對(duì)菌株D2形態(tài)結(jié)構(gòu)和ROS的影響；
步驟3：Ni (II)對(duì)菌株D2細(xì)胞周期的影響；
步驟4：Ni (II)對(duì)菌株D2代謝組的影響；
步驟5：外源添加氨基酸對(duì)Ni (II)處理菌株D2生長(zhǎng)的影響。
研究結(jié)果
菌株D2在pH 6-8范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)速率，最適pH值為7。初始濃度為60 mg/L的Ni (II)抑制了50%的D2菌株生長(zhǎng)，而100 mg/L的Ni (II)幾乎完全抑制D2菌株的生長(zhǎng)。
圖1 pH值和Ni (II)對(duì)菌株D2生長(zhǎng)的影響
2. Ni (II)對(duì)菌株D2形態(tài)結(jié)構(gòu)和ROS的影響
掃描電鏡(SEM)分析顯示，初始Ni (II)濃度為60 mg/L時(shí)，菌體細(xì)胞膜完整性發(fā)生變化，出現(xiàn)輕微的皺縮；濃度為100 mg/L時(shí)，膜表面出現(xiàn)部分損傷和褶皺，細(xì)胞呈腫脹形態(tài)。表明，隨著Ni (II)濃度的增加，細(xì)菌膜損傷程度和細(xì)菌腫脹程度增加。
圖2 Ni (II)對(duì)菌株D2形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響
與對(duì)照組相比，初始濃度為60和100 mg/L的Ni (II)處理組菌株的乳酸脫氫酶(LDH)活性和ROS顯著增加，表明Ni (II)對(duì)菌株D2的毒性作用部分是由細(xì)胞膜損傷和ROS的產(chǎn)生引起的。
圖3 Ni (II)對(duì)菌株D2 ROS產(chǎn)生的影響
3. Ni (II)對(duì)菌株D2細(xì)胞周期的影響
qRT-PCR分析顯示，在初始濃度為60和100 mg/L的Ni (II)處理組中，細(xì)胞周期相關(guān)調(diào)控基因mesJ、dnaA、ftsZ和ftsA顯著下調(diào)，表明Ni (II)毒性可以導(dǎo)致菌株D2的細(xì)胞周期失調(diào)。
圖4 Ni (II)對(duì)菌株D2細(xì)胞周期的影響
4. Ni (II)對(duì)菌株D2代謝組的影響
采用非靶向代謝組學(xué)方法對(duì)初始Ni (II)濃度為0、60和100 mg/L處理的菌株D2進(jìn)行分析，主成分分析(PCA)顯示，與對(duì)照組相比，初始Ni (II)濃度為60和100 mg/L的處理組變化顯著，表明Ni (II)顯著影響了菌體D2的代謝穩(wěn)態(tài)。對(duì)差異代謝物進(jìn)行通路分析，發(fā)現(xiàn)差異代謝物主要參與氨基酸和ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的生物合成途徑。
圖5 Ni (II)對(duì)菌株D2代謝通路的影響
在氨基酸合成通路中，共有七個(gè)氨基酸發(fā)生了顯著變化，其中天冬酰胺(Asp)、蛋氨酸(Met)和瓜氨酸(Cit)的相對(duì)豐度隨Ni (II)濃度的增加而降低，而賴氨酸(Lys)、谷氨酸(Glu)、異亮氨酸(IIe)和組氨酸(His)的相對(duì)豐度隨Ni (II)濃度的增加而升高。
圖6 Ni (II)對(duì)菌株D2代謝物的影響
5. 外源添加氨基酸對(duì)Ni (II)處理菌株D2生長(zhǎng)的影響
在初始Ni (II)濃度為60或100 mg/L處理的細(xì)胞中分別添加5或20 mM的7種氨基酸，發(fā)現(xiàn)除谷氨酰胺外，初始Ni (II) 濃度為60 mg/L的處理細(xì)胞中加入5或20 mM的氨基酸后生長(zhǎng)顯著增強(qiáng)；初始Ni (II) 濃度為100 mg/L處理細(xì)胞中加入20 mM Glu、IIe、His、Met、Asp或5 mM His、Asp后生長(zhǎng)顯著增強(qiáng)。表明His、Met和Asp在菌株D2抵抗Ni (II)毒性方面具有直接作用。
圖7 外源添加氨基酸對(duì)Ni (II)處理菌株D2生長(zhǎng)的影響
小結(jié)
Ni (II)毒性嚴(yán)重影響菌株D2的生長(zhǎng)、形態(tài)、細(xì)胞周期和代謝產(chǎn)物。代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)氨基酸合成的變化與Ni (II)對(duì)菌株D2的毒性有關(guān)。外源添加Glu、IIe、His、Met和Asp可以緩解Ni對(duì)菌株D2細(xì)胞的毒性，說(shuō)明氨基酸在提高菌株對(duì)Ni (II)毒性的抵抗力方面起著重要作用，為開(kāi)發(fā)對(duì)Ni (II)毒性更耐受的生物修復(fù)菌株提供了基礎(chǔ)。
標(biāo)簽：
代謝組學(xué) 中科新生命
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