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硫细菌的研究

发布日期:2014年04月21日 09:58 点击次数:

  王祖农教授领导的科研小组,第一个在我国开展了自养微生物学的研究。早在1955年王教授出版了《硫磺细菌》一书,这本专著为我国自养微生物研究的开展打下了基础。在化能自养细菌研究方面,有两项突破性进展的成果:“利用氧化硫硫杆菌提高磷矿粉的速效性研究”成果获得了1978年全国科学大会奖;“专性自养极端嗜酸性硫杆菌基因转移系统的建立”的研究成功解决了这一研究领域的重大难题,在国际上首次在专性自养极端嗜酸性硫杆菌和大肠杆菌之间建立了一个基因转移系统,并成功地将外源抗砷基因从E coli导入专性自养极端嗜酸性T ferroxidans中并获得表达,构建成T ferroxidans抗砷工程菌。
  一、利用氧化硫硫杆菌提高磷矿粉的速效性研究
  1969年后,在王祖农教授的指导下,颜望明教授开始氧化硫硫杆菌的研究。山东省处长江以北,土壤缺磷,而一般的磷矿品位很低,如何利用微生物提高磷矿粉的速效性具有重要的实践意义。虽然,将磷矿粉、硫磺和土壤混合作为肥料,国外较早已有报道,并在农业生产上有所采用及积累了一些经验。但仍缺乏一整套适用于不同磷矿粉、土类和作物等行之有效的技术。
  土壤中的溶磷细菌,以产酸细菌为主,pH值降低越显著,溶磷能力越强。通过一年反复试验,选定了氧化硫硫杆菌为试验重点。氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)是一类极端嗜酸性的专性自养细菌,它的产酸能力极大,它可氧化元素硫并产生5%~10%(0.5~1mol/L)的硫酸。杂菌无法与之竞争,并能进行自养性生活,只需供以少量硫磺即可大量生长,适于农村推广。
  通过对氧化硫硫杆菌的产酸、解磷能力及田间试验等研究,利用氧化硫硫杆菌在不灭菌的条件下,和少量硫磺及磷矿粉混合后,培养制成的高质量磷肥,可大大提高可溶性磷的含量,对低品位磷矿粉的应用,提出了区域性的有效办法,施用这种磷肥,使北方缺磷地区的小麦、玉米等作物产生了明显的增产效果。由于在利用氧化硫硫杆菌提高磷矿粉的速效性研究方面取得的重大进展,该项科技成果获得了1978年全国科学大会奖。
  二、专性自养极端嗜酸性硫杆菌基因转移系统的建立
  颜望明教授领导的研究团队,自70年代初开展专性自养嗜酸性硫杆菌的研究,分离保藏了大量的实验菌株。硫杆菌是在极端酸性条件下生长,生长缓慢,周期长,细胞得率低,在固体培养基上难以形成菌落获得纯培养,给菌株的筛选带来了极大的困难,又缺乏可供选择的遗传标记,遗传背景不清楚,因此开展这类细菌的分子遗传学研究难度很大,国内外起步都很晚。
  从1986年以来,该研究团队连续承担了八项自然科学基金和博士点基金项目的研究,在自养细菌分子遗传学方面取得了令人瞩目的成就。对自养细菌特别是专性自养极端嗜酸性硫杆菌的遗传操作培养基、启动子、质粒的分离、载体的构建、载体的转移以及羧化酶基因的克隆表达,羧化酶基因缺失突变株的构建等进行了比较系统的研究,已经形成了自己的研究体系和特色,填补了我国在该领域的空白,取得了突破性的进展:以专性自养极端嗜酸性的氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌的质粒和染色体DNA为材料与大肠杆菌质粒进行重组,构建成具有遗传标记、多个单一酶切位点的硫杆菌(自养细菌)和大肠杆菌(异养细菌)都能复制和表达的载体。在广泛寄主P类群质粒的带动下,通过接合途径,将重组质粒从大肠杆菌直接转移到了硫杆菌中去,并得到了表达,从而在国际上首次在专性自养极端嗜酸性硫杆菌和大肠杆菌之间建立了一个基因转移系统。
  通过该转移系统又首次成功地将外源抗砷基因从E coli导入专性自养极端嗜酸性T ferroxidans中并获得表达,构建成T ferroxidans抗砷工程菌。抗砷质粒的构建是以广泛寄主范围的IncQ类群质粒pJRD215作为抗砷基因的载体,该质粒具有在革兰氏阴性细菌中都能被识别的复制区(ori)和带动转移的功能区(mob),并且具有两个遗传标记Kmr(卡那抗性)和Smr(链霉素抗性)。多年研究证明,该质粒及两个遗传标记在硫杆菌中是稳定的。而大肠杆菌质粒puM3是pBR322的一个衍生质粒,它是由大肠杆菌R773质粒的抗砷基因片段,通过HindⅢ位点,克隆到pBR322相应位点而构成。PUM3为8.6Kb,带有一个4.3Kb的抗砷基因。直接用pRD215作为抗砷的载体,构建两个抗砷质粒pSDRA1和pSDRA2,两者的区别在于抗砷基因的启动子不同,在pSDRA1中,抗砷基因的启动子为大肠杆菌pBR322的P1启动子,而在pSDRA2中抗砷基因启动子为tac强启动子。
  所构建的抗砷基因工程菌,已用于含砷难选金精矿的脱砷,提高了黄金的提取率,具有重要的应用价值,填补了我国在该领域的空白。该项研究成果1994年被国家自然科学基金委入选为1986年以来自然科学基金资助优秀成果。
  将外源基因导入极端嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌中,并在该菌中建立一个基因转移系统,是该领域的前沿和难点,在国外尚未取得进展。该项研究的成功解决了这一研究领域的重大难题,也是该领域的一个重大突破。它不仅为全面、系统研究这类特殊细菌的基因表达机理和调节方式奠定了基础,在理论上具有重要意义,而且为用基因工程手段改造这类浸矿细菌提供了科学依据和实验方法,具有重要的经济意义。

【作者:            来自:《山大第一》    责任编辑:榭亭  】

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