微生物铝毒害和耐铝毒机制研究进展

在酸性土壤中,铝毒是限制农作物生产的关键问题之一,铝同样对微生物产生毒害作用。研究微生物的铝毒害和耐铝毒机制可以为植物耐铝毒机制的研究提供一种新视角。目前的研究表明,铝作用于微生物细胞的细胞壁、细胞膜、细胞核和细胞器,影响微生物的物质和能量代谢,抑制微生物的生长和发育。针对这些毒害作用,铝毒耐受微生物通过多途径全方位的机制适应外界的铝毒环境。该文结合作者的研究工作,综述了微生物的铝毒害和耐铝毒机制。     

一株耐铝隐球酵母菌株5-2的分离鉴定及耐铝特性分析

目的分离高耐铝的微生物菌株,为耐铝基因克隆和耐铝机制研究奠定基础。方法用含5 mmol/L铝的平板逐级筛选和纯化,PCR扩增ITS序列和26S r DNA D1/D2序列,用菌株在不同铝浓度的固体培养基和液体培养基中的生长状况鉴定耐铝能力,用ICP-AES测量菌液上清中剩余活性铝的含量。结果通过ITS序列和26S r DNA D1/D2序列比对及形态观察,初步鉴定该菌株为Cryptococcus podzolicus,该菌株的最大耐铝能力达到100 mmol/L,而且该菌株能够吸附溶液中的活性铝,这可能是其耐铝的原因之一。结论该菌种是首次发现具有耐铝能力,从而为土壤微生物耐铝机制的研究及克隆耐铝基因提供了很好的实验材料。     

茶园土壤耐酸铝酵母菌的分离鉴定及其耐铝特性的初步研究

目的为研究铝毒及耐铝机制提供更好的模式生物材料和进一步研究耐铝机制提供依据。方法通过对云南龙陵县茶园土壤耐酸铝微生物的筛选、分离和纯化,筛选出一株Y31耐酸铝酵母。结果经D1/D2区域克隆测序获取全长26S rDNA区域序列,构建系统发育树,初步鉴定Y31为长形隐球酵母（Cryptococcus longus）。在LPM培养基及GM培养基上耐铝水平检测表明Y31分别能耐100 mmol/L和50 mmol/L铝。用不同铝浓度处理酵母菌后,进行FDA PI双染色并用荧光显微镜观察,当铝浓度达到100 mmol/L时,出现明显的细胞凋亡过程。结论本研究为铝毒和生物体耐铝机制提供了生物材料。     

微生物铝毒和耐铝机制的研究现状

铝是地球上含量最为丰富的金属元素 ,在酸性条件下 ,主要以Al3 存在。Al3 作为一种严重的环境毒剂 ,已经在众多模式生物中所证明。近年来 ,许多生物学家已日益注意到铝毒和耐铝性在环境科学与生命科学领域的重要性。结合研究工作 ,综述了微生物铝毒害和耐铝的机制。微生物通过①增强分泌有机酸与Al3 螯合 ,②超表达Mg2 通道蛋白 ,增强细胞转运吸收Mg2 ,③通过线粒体ATPase和液泡ATPase协同作用将Al3 隔离于液泡内 ,以及④通过氧化胁迫改变、调节Al3 毒害和耐铝性 ,减缓Al3 对细胞的毒害。     

普通荞麦资源的耐铝性研究

利用小容器溶液培养法对耐铝性鉴定条件和52份普通荞麦栽培品种资源的耐铝性进行了研究。结果发现普通荞麦耐铝性鉴定的适宜条件为发芽种子于500μmol/LAlCl3溶液(pH4.5)处理3d,以发芽种子在这三天内的根伸长量衡量耐铝性程度。在该处理条件下,普通荞麦不同品种间的耐铝性有显著差异。其中,陕西大红花甜荞品种、日本大粒荞、织金红花甜荞的耐铝毒胁迫能力最强,值得在荞麦耐铝性育种和耐铝机制研究中利用。     

生物冶金中耐盐浸矿微生物的研究进展

耐盐浸矿微生物是指在发挥矿物浸出功能时对所处的含盐环境具有一定耐受能力的一类浸矿微生物。耐盐浸矿微生物因其可以适应不同浓度的氯化钠等盐,因而在淡水资源缺乏地区的生物冶金中具有广泛的应用价值。本文从耐盐浸矿微生物的种类、耐盐机制及其在矿物生物浸出中的应用现状进行了系统性综述,为耐盐浸矿微生物的研究和应用提供参考。     

耐有机溶剂微生物的耐受机制、改造策略和应用北大核心

耐有机溶剂微生物在生物燃料生产、全细胞催化、酶制剂的开发和生物修复等领域具有非常重要的作用。该文简要介绍了耐有机溶剂微生物及其耐受机制,并从基因过表达、基因敲除和全局转录机制三个方面总结了增强微生物有机溶剂耐受性的方法。通过对耐有机溶剂微生物应用的局限性进行分析,认为未来研究中应注重将微生物耐受表型和具体利用相结合,达到有机溶剂耐受和实际产出的最佳平衡状态,为耐有机溶剂工程菌的改造和选育提供参考。     

耐有机溶剂极端微生物的耐受机制及应用

耐有机溶剂微生物是一类新颖的极端微生物,直到20世纪80年代才被系统地研究.它们通过各种耐受机制,有效抵御或降低有机溶剂对其细胞产生的毒害作用.因此,在全细胞催化、环境污染治理等领域,耐有机溶剂极端微生物具有广阔的工业应用前景.此外,深入透彻地了解耐有机溶剂极端微生物的各种耐受机制,有助于利用基因工程技术改造和优化现有耐有机溶剂极端微生物的各种性能,进一步拓展其工业应用领域.本文将从囊泡外排、改变细胞膜磷脂结构和组成等4个方面概述近年来耐有机溶剂极端微生物的耐受机制研究新进展,并介绍它们在全细胞催化等领域的应用.     

耐有机溶剂微生物的耐受机制、改造策略和应用

耐有机溶剂微生物在生物燃料生产、全细胞催化、酶制剂的开发和生物修复等领域具有非常重要的作用。该文简要介绍了耐有机溶剂微生物及其耐受机制,并从基因过表达、基因敲除和全局转录机制三个方面总结了增强微生物有机溶剂耐受性的方法。通过对耐有机溶剂微生物应用的局限性进行分析,认为未来研究中应注重将微生物耐受表型和具体利用相结合,达到有机溶剂耐受和实际产出的最佳平衡状态,为耐有机溶剂工程菌的改造和选育提供参考。     

植物耐铝的生理机制

就植物本身的解除铝毒生理机制、铝毒与膜整合阴离子通道、铝毒与有机酸代谢相关酶、转基因与植物耐铝性的提高、耐铝基因的QTL以及参与铝毒响应的信号转导机制的研究进展作介绍。     

微生物耐受乙醇与丁醇机制及其在生物燃料生产与生物转化中的应用

生物法获取乙醇与丁醇过程中有机溶剂的毒性是生产菌重要环境胁迫因素之一,且当有机溶剂超过一定浓度时便会抑制微生物的生长,甚至引起微生物的死亡,因此提高工业微生物的有机溶剂耐受性对工业生产具有重要的意义。对微生物乙醇及丁醇耐受机制的研究可为选育具有较强溶剂耐受菌提供理论基础。本文系统介绍了微生物耐受乙醇与丁醇的机制,并对其在生物燃料生产及生物转化中面临的机遇与挑战等问题进行简要的评述。     

Ionic liquid-tolerant microorganisms and microbial communities for lignocellulose conversion to bioproducts

Chemical and physical pretreatment of biomass is a critical step in the conversion of lignocellulose to biofuels and bioproducts. Ionic liquid (IL) pretreatment has attracted significant attention due to the unique ability of certain ILs to solubilize some or all components of the plant cell wall. However, these ILs inhibit not only the enzyme activities but also the growth and productivity of microorganisms used in downstream hydrolysis and fermentation processes. While pretreated biomass can be washed to remove residual IL and reduce inhibition, extensive washing is costly and not feasible in large-scale processes. IL-tolerant microorganisms and microbial communities have been discovered from environmental samples and studies begun to elucidate mechanisms of IL tolerance. The discovery of IL tolerance in environmental microbial communities and individual microbes has lead to the proposal of molecular mechanisms of resistance. In this article, we review recent progress on discovering IL-tolerant microorganisms, identifying metabolic pathways and mechanisms of tolerance, and engineering microorganisms for IL tolerance. Research in these areas will yield new approaches to overcome inhibition in lignocellulosic biomass bioconversion processes and increase opportunities for the use of ILs in biomass pretreatment.     

嗜盐耐盐微生物抗盐胁迫相关离子转运蛋白研究进展

离子转运蛋白在维持细胞内pH稳态、离子动态平衡等方面发挥着重要作用。钠离子转运体和钾离子转运体在嗜盐耐盐微生物中广泛存在,其"保钾排钠"机制是微生物抗盐胁迫的两大策略之一。近年来,嗜盐耐盐微生物中许多新型钠、钾离子转运体被陆续发现,如RDD蛋白、UPF0118蛋白、DUF蛋白和KimA蛋白等;Fe³⁺、Mg²⁺等其他金属离子的转运蛋白也被证实可通过影响微生物胞内相容性溶质的合成起到渗透调节的作用。本文综述了嗜盐耐盐微生物中抗盐胁迫相关的各类离子转运蛋白,分析其分子结构和工作机理,并对这些蛋白在农业方面的应用进行了展望。继续发现新的离子转运蛋白,探究抗盐胁迫相关离子转运蛋白的结构和机理,解析各转运系统的协同作用及分子调控机制,将进一步加深对嗜盐耐盐微生物抗盐胁迫调控的认识,并为盐碱地农作物的改良等提供新的思路。     

工业微生物酸胁迫的耐受机制及改造途径

工业微生物在发酵生产过程中会面对发酵环境和自身产生的各类酸性物质,而这些酸性物质会影响工业微生物的生长和代谢,即产生酸胁迫。微生物通过调控胞内质子浓度、保护和修复生物大分子、改变细胞膜组分以及整体水平调控等耐受机制来应对酸胁迫。结合酸胁迫的各种耐受机制,利用自然筛选和人工改造的方法提高工业微生物的抗酸胁迫能力,为构建出更能适应工业生产条件的菌株提供理论依据。     

铝对植物毒害及植物抗铝作用机理

综述了有关铝对植物的毒害及植物耐铝机理的研究成果。铝可以从植物的不同生物水平上影响植物的生长;不同植物耐受铝的能力不同,耐受性植物可在机体内形成各种耐受机制,以抵抗环境中铝的压力。这在受损土壤环境中的生态系统恢复具有应用前景。     

Organic solvent adaptation of Gram positive bacteria: applications and biotechnological potentials

Organic-solvent-tolerant bacteria are considered extremophiles with different tolerance levels that change among species and strains, but also depend on the inherent toxicity of the solvent. Extensive studies to understand the mechanisms of organic solvent tolerance have been done in Gram-negative bacteria. On the contrary, the information on the solvent tolerance mechanisms in Gram-positive bacteria remains scarce. Possible shared mechanisms among Gram-(−) and Gram-(+) microorganisms include: energy-dependent active efflux pumps that export toxic organic solvents to the external medium; cis-to-trans isomerization of unsaturated membrane fatty acids and modifications in the membrane phospholipid headgroups; formation of vesicles loaded with toxic compounds; and changes in the biosynthesis rate of phospholipids to accelerate repair processes. However, additional physiological responses of Gram-(+) bacteria to organic solvents seem to be specific. The aim of the present work is to review the state of the art of responsible mechanisms for organic solvent tolerance in Gram-positive bacteria, and their industrial and environmental biotechnology potential.     

Molecular physiology of aluminum toxicity and tolerance in plants

Aluminum being the third most abundant metal in the earth’s crust poses a serious threat to crop productivity in acid soils, which comprise almost half of the arable land. This review travels across time and updates research done on aluminum stress in plants. In its phytotoxic forms, aluminum affects root growth by acting in the root apical zone, resulting in growth inhibition in a very short time at micromolar concentrations. The mechanisms of aluminum toxicity in plants may proceed by growth inhibition, callose accumulation, cytoskeletal distortion, disturbance of plasma membrane surface charge, and H⁺-ATPase activity, lipid peroxidation of membranes, production of reactive oxygen species in cytosol and mitochondria, respiratory dysfunction, opening of mitochondrial permeability transition pores, collapsing of inner mitochondrial membrane potential, activation of mitochondrial protease, and induction of nuclear apoptosis, resulting ultimately in programmed cell death. In contrast, the mechanism of tolerance involves the exudation of organic acid anions, complexation of aluminum with organic acids, and subsequent detoxification. Many oxidative stress genes and other metabolically important genes have also been found to be induced under aluminum stress and overexpression analyses have also shown some plants to develop some degree of tolerance. In the future, researchers in the area of aluminum research should investigate more basic mechanisms of aluminum toxicity and discover and study more aluminum-responsive genes that confer resistance against this toxic metal, to ensure food security for ever-increasing human populations in the future.     

Radiation Genetics in Microorganisms and Evolutionary Considerations

Recent knowledge of UV-resistance mechanisms in microorganisms is reviewed in perspective, with emphasis on E. coli. Dark-repair genes are classified into "excision" and "tolerance" (ability to produce a normal copy of DNA from damaged DNA). The phenotype of DNA repair is rather common among the microorganisms compared, and yet their molecular mechanisms are not universal. In contrast, DNA photoreactivation is the simplest and the most general among these three repair systems. It is proposed that DNA repair mechanisms evolved in the order: photoreactivation, excision repair, and tolerance repair. The UV protective capacity and light-inducible RNA photoreactivation possessed by some plant viruses are interpreted to be the result of solar UV selection during a rather recent era of evolution.     

酿酒酵母乙酸耐性分子机制的功能基因组进展

提高工业酿酒酵母对高浓度代谢产物及原料中的毒性底物等环境胁迫因素的耐受性,对提高工业生产效率具有重要的意义。乙酸是纤维素原料水解产生的主要毒性副产物之一,其对酵母细胞的生长和代谢都具有较强的抑制作用,因此,对酿酒酵母乙酸耐性分子机制的研究可为选育优良菌种提供理论依据。近年来,通过细胞全局基因表达分析和代谢组分析,以及对单基因敲除的所有突变体的表型组研究,对酿酒酵母乙酸耐性的分子机制有了更多新的认识,揭示了很多新的与乙酸毒性适应性反应和乙酸耐性提高相关的基因。综述了近年来酿酒酵母乙酸耐性的基因组规模的研究进展,以及在此基础上构建乙酸耐性提高的工业酵母菌的代谢工程操作。结合本课题组的研究,对金属离子锌在酿酒酵母乙酸耐性中的作用进行了深入分析。未来对酿酒酵母乙酸耐性分子机理的认识及改造将深入到翻译后修饰和合成生物学等新的水平,所获得的认知,将为选育可高效进行纤维素原料生物转化、高效生产生物燃料和生物基化学品的工业酿酒酵母的菌株奠定理论基础。