项目文章J Hazard Mater（14.2）| 吉林农大利用代谢组学揭示耐寒蜡样芽孢杆菌D2对Ni (II)毒性的响应机制
2023-01-12
中科新生命
1001
Ni (II) 广泛应用于工业生产领域，然而过量的Ni (II)会影响人类、动物和植物的健康。先前研究发现耐寒蜡样芽孢杆菌D2可以在低温条件下修复Ni (II)污染土壤，但其对Ni (II)的抗性较低。
2022年5月，吉林农业大学李明堂教授团队发表在Journal of Hazardous Materials (IF 14.224)杂志上发表了题为“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，采用非靶向代谢组学，结合传统方法对不同浓度Ni (II)处理的耐寒蜡样芽孢杆菌D2进行了响应机制研究，发现Ni (II)影响菌株D2的氨基酸和ABC转运蛋白的生物合成，添加氨基酸可恢复其生长，为减轻Ni (II)对菌株D2的毒性提供了思路，有助于开发对Ni (II)毒性更耐受的生物修复菌株。中科新生命提供了非靶向代谢组学检测服务。
研究材料
耐寒蜡样芽孢杆菌D2
技术路线
步骤1：pH值和Ni (II)对菌株D2生长的影响；
步骤2：Ni (II)对菌株D2形态结构和ROS的影响；
步骤3：Ni (II)对菌株D2细胞周期的影响；
步骤4：Ni (II)对菌株D2代谢组的影响；
步骤5：外源添加氨基酸对Ni (II)处理菌株D2生长的影响。
研究结果
1. 10℃培养条件下pH值和Ni (II)对菌株D2生长的影响
菌株D2在pH 6-8范围内表现出良好的生长速率，最适pH值为7。初始浓度为60 mg/L的Ni (II)抑制了50%的D2菌株生长，而100 mg/L的Ni (II)几乎完全抑制D2菌株的生长。
图1 pH值和Ni (II)对菌株D2生长的影响
2. Ni (II)对菌株D2形态结构和ROS的影响
扫描电镜(SEM)分析显示，初始Ni (II)浓度为60 mg/L时，菌体细胞膜完整性发生变化，出现轻微的皱缩；浓度为100 mg/L时，膜表面出现部分损伤和褶皱，细胞呈肿胀形态。表明，随着Ni (II)浓度的增加，细菌膜损伤程度和细菌肿胀程度增加。
图2 Ni (II)对菌株D2形态结构的影响
与对照组相比，初始浓度为60和100 mg/L的Ni (II)处理组菌株的乳酸脱氢酶(LDH)活性和ROS显著增加，表明Ni (II)对菌株D2的毒性作用部分是由细胞膜损伤和ROS的产生引起的。
图3 Ni (II)对菌株D2 ROS产生的影响
3. Ni (II)对菌株D2细胞周期的影响
qRT-PCR分析显示，在初始浓度为60和100 mg/L的Ni (II)处理组中，细胞周期相关调控基因mesJ、dnaA、ftsZ和ftsA显著下调，表明Ni (II)毒性可以导致菌株D2的细胞周期失调。
图4 Ni (II)对菌株D2细胞周期的影响
4. Ni (II)对菌株D2代谢组的影响
采用非靶向代谢组学方法对初始Ni (II)浓度为0、60和100 mg/L处理的菌株D2进行分析，主成分分析(PCA)显示，与对照组相比，初始Ni (II)浓度为60和100 mg/L的处理组变化显著，表明Ni (II)显著影响了菌体D2的代谢稳态。对差异代谢物进行通路分析，发现差异代谢物主要参与氨基酸和ABC转运蛋白的生物合成途径。
图5 Ni (II)对菌株D2代谢通路的影响
在氨基酸合成通路中，共有七个氨基酸发生了显著变化，其中天冬酰胺(Asp)、蛋氨酸(Met)和瓜氨酸(Cit)的相对丰度随Ni (II)浓度的增加而降低，而赖氨酸(Lys)、谷氨酸(Glu)、异亮氨酸(IIe)和组氨酸(His)的相对丰度随Ni (II)浓度的增加而升高。
图6 Ni (II)对菌株D2代谢物的影响
5. 外源添加氨基酸对Ni (II)处理菌株D2生长的影响
在初始Ni (II)浓度为60或100 mg/L处理的细胞中分别添加5或20 mM的7种氨基酸，发现除谷氨酰胺外，初始Ni (II) 浓度为60 mg/L的处理细胞中加入5或20 mM的氨基酸后生长显著增强；初始Ni (II) 浓度为100 mg/L处理细胞中加入20 mM Glu、IIe、His、Met、Asp或5 mM His、Asp后生长显著增强。表明His、Met和Asp在菌株D2抵抗Ni (II)毒性方面具有直接作用。
图7 外源添加氨基酸对Ni (II)处理菌株D2生长的影响
小结
Ni (II)毒性严重影响菌株D2的生长、形态、细胞周期和代谢产物。代谢组学研究发现氨基酸合成的变化与Ni (II)对菌株D2的毒性有关。外源添加Glu、IIe、His、Met和Asp可以缓解Ni对菌株D2细胞的毒性，说明氨基酸在提高菌株对Ni (II)毒性的抵抗力方面起着重要作用，为开发对Ni (II)毒性更耐受的生物修复菌株提供了基础。
