微生物的耐盐机制课件.ppt

1、微生物的耐盐机制微生物的耐盐机制第一节 嗜盐微生物 概念概念 嗜盐微生物嗜盐微生物(halophilic(halophilic microorganism)microorganism)是生是生长的最适盐浓度大于长的最适盐浓度大于0.2mol/L0.2mol/L（氯化物）的微生（氯化物）的微生物。物。根据微生物对盐的需要可将细菌和古菌分为四类：根据微生物对盐的需要可将细菌和古菌分为四类：非嗜盐微生物（菌）非嗜盐微生物（菌）轻度嗜盐微生物（菌）轻度嗜盐微生物（菌）中度嗜盐微生物（菌）中度嗜盐微生物（菌）极端嗜盐微生物极端嗜盐微生物 （菌）（菌）最适最适NaCINaCI浓度浓度 非嗜盐菌非嗜盐菌 弱

2、嗜盐菌弱嗜盐菌 1%-3%1%-3%中度嗜盐菌中度嗜盐菌 3%-15%3%-15%极端嗜盐菌极端嗜盐菌 13%-15%13%-15%中度嗜盐菌和极端嗜盐菌属于极端环境微生物中度嗜盐菌和极端嗜盐菌属于极端环境微生物大多存在于海洋、盐（碱）湖、盐场、沙漠植物、大多存在于海洋、盐（碱）湖、盐场、沙漠植物、盐渍食物等高盐环境中盐渍食物等高盐环境中两者区别：对两者区别：对NaCINaCI浓度要求不同浓度要求不同 不同类群（细菌和古菌）不同类群（细菌和古菌）中度嗜盐菌和极端嗜盐菌的种类中度嗜盐菌和极端嗜盐菌的种类 中度嗜盐菌中度嗜盐菌 生长离不开盐、适应盐浓度范围宽（生长离不开盐、适应盐浓度范围宽（0.1

3、%-32%0.1%-32%）典型的是盐单胞菌科（典型的是盐单胞菌科（HalomonadaceaeHalomonadaceae），下有），下有1010余各属，最大的属为余各属，最大的属为HalomanasHalomanas（盐单胞菌属），（盐单胞菌属），6060余个种，主要成员余个种，主要成员Halomonas elongataHalomonas elongata（伸长（伸长盐单胞菌）盐单胞菌）极端嗜盐菌极端嗜盐菌 属古菌，属古菌，1818个属，个属，4949个种。属需氧微生物，菌落个种。属需氧微生物，菌落呈红色或粉红色呈红色或粉红色 NaNa+对嗜盐菌的影响对嗜盐菌的影响 很多微生物可以耐受一

4、定浓度的很多微生物可以耐受一定浓度的NaCINaCI，但没有，但没有依赖性。依赖性。大肠杆菌、葡萄球菌、根瘤菌大肠杆菌、葡萄球菌、根瘤菌 中度嗜盐菌和极端嗜盐菌对中度嗜盐菌和极端嗜盐菌对NaCINaCI有很强的依赖有很强的依赖性性,在没有在没有NaCINaCI的环境中不能生长的环境中不能生长 第二节 微生物的盐适应机制一、渗透调节一、渗透调节1.1.内盐机制内盐机制2.2.有机渗透质机制有机渗透质机制二、二、NaNa+输出机制输出机制1.1.初级钠泵初级钠泵2.2.次级钠泵次级钠泵一、渗透调节一、渗透调节1.1.内盐机制（内盐机制（KCIKCI机制）机制）属无机渗透质机制属无机渗透质机制 菌体

5、内积累高浓度菌体内积累高浓度KCIKCI，以，以K K+和和CICI-作为渗调剂，作为渗调剂，维持渗透平衡维持渗透平衡 多数极端嗜盐菌采用此种机制多数极端嗜盐菌采用此种机制 某些高等植物也通过积累钾来抵抗盐危害某些高等植物也通过积累钾来抵抗盐危害 利用内盐机制进行渗透调节的微生物，细胞内的蛋白质含利用内盐机制进行渗透调节的微生物，细胞内的蛋白质含有大量酸性氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）有大量酸性氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）利于蛋白质形成水合外层，保持正常的构型和功能利于蛋白质形成水合外层，保持正常的构型和功能2.2.有机渗透质机制（亲和性溶质机制）有机渗透质机制（亲和性溶质机制）亲和性溶质：生理亲和

6、性溶质：生理pHpH条件下不带净电荷、高度可溶的小条件下不带净电荷、高度可溶的小分子有机物分子有机物 亲和性溶质在细胞内积累，不影响细胞的正常形态、结亲和性溶质在细胞内积累，不影响细胞的正常形态、结构和功能构和功能 环境中渗透压增高时，通过积累亲和性溶质平衡渗透压环境中渗透压增高时，通过积累亲和性溶质平衡渗透压 取代水与蛋白质表面的结合，保护蛋白质的稳定取代水与蛋白质表面的结合，保护蛋白质的稳定 亲和性溶质的产生：自身合成，细胞外吸收亲和性溶质的产生：自身合成，细胞外吸收 几种常见的亲和性溶质几种常见的亲和性溶质 氨基酸类：脯氨酸、谷氨酸氨基酸类：脯氨酸、谷氨酸 氨基酸衍生物类：四氢嘧啶、脯氨

7、酸甜菜碱氨基酸衍生物类：四氢嘧啶、脯氨酸甜菜碱 小分子肽类：小分子肽类：N-N-乙酰谷氨酰谷氨酸氨基化合物乙酰谷氨酰谷氨酸氨基化合物 磺酸脂类：胆碱磺酸脂类：胆碱-O-O-磺酸磺酸 多羟基化合物类：甘油、甘油葡萄糖苷多羟基化合物类：甘油、甘油葡萄糖苷 糖类：海藻糖、蔗糖糖类：海藻糖、蔗糖 脯氨酸脯氨酸大多数细菌渗透胁迫时细胞内积聚高浓度脯氨酸大多数细菌渗透胁迫时细胞内积聚高浓度脯氨酸革兰阳性菌：胞内合成革兰阳性菌：胞内合成革兰阴性菌：提高转运水平革兰阴性菌：提高转运水平脯氨酸转运系统：脯氨酸转运系统：PutPPutP、ProPProP、ProUProU 甘氨酸甜菜碱、脯氨酸甜菜碱、谷氨酸甜菜碱

8、甘氨酸甜菜碱、脯氨酸甜菜碱、谷氨酸甜菜碱 自然界中最重要的相容性溶质自然界中最重要的相容性溶质 存在原核生物、动物和植物存在原核生物、动物和植物 自行合成自行合成 四氢嘧啶四氢嘧啶 嗜盐菌的重要的亲和性溶质嗜盐菌的重要的亲和性溶质 自行合成自行合成 海藻糖海藻糖 蔗糖、麦芽糖、纤维二糖、龙胆二糖、松二糖蔗糖、麦芽糖、纤维二糖、龙胆二糖、松二糖 大肠杆菌、沙门菌从头合成海藻糖大肠杆菌、沙门菌从头合成海藻糖 ostABostAB操纵子编码的两种酶催化海藻糖的生成操纵子编码的两种酶催化海藻糖的生成 二、二、NaNa+输出系统输出系统 将细胞内多余的钠离子排到细胞外，维持细胞内将细胞内多余的钠离子排到

9、细胞外，维持细胞内较低的盐浓度较低的盐浓度 细菌存在细菌存在2 2种种NaNa+输出系统输出系统 1.1.初级钠泵初级钠泵 包括四类：脱羧酶、甲基转移酶复合体、包括四类：脱羧酶、甲基转移酶复合体、ATPATP酶和酶和NADHNADH泛醌氧化还原酶泛醌氧化还原酶 脱羧酶脱羧酶 催化草酰乙酸脱羧，在催化脱羧反应时向细胞外催化草酰乙酸脱羧，在催化脱羧反应时向细胞外输出钠离子输出钠离子 主要包括：草酰乙酸脱羧酶、甲基丙二酰辅酶主要包括：草酰乙酸脱羧酶、甲基丙二酰辅酶A A脱脱羧酶、戊烯二酰辅酶羧酶、戊烯二酰辅酶A A脱羧酶、丙二酸脱羧酶脱羧酶、丙二酸脱羧酶 甲基转移酶复合体甲基转移酶复合体 产甲烷古菌

10、的初级钠泵，催化甲基从甲基四氢甲产甲烷古菌的初级钠泵，催化甲基从甲基四氢甲 烷喋呤转移到辅酶烷喋呤转移到辅酶M M，在此过程中偶联钠离子输，在此过程中偶联钠离子输 出出 有有8 8个不同的个不同的MtrMtr亚基，亚基，MtrAMtrA、MtrBMtrB、MtrCMtrC、MtrDMtrD、MtrEMtrE、MtrFMtrF、MtrGMtrG、MtrHMtrH，由转录单元，由转录单元 mtrEDCBAFGHmtrEDCBAFGH编码编码 ATPATP酶酶 与细胞膜相连，伴随与细胞膜相连，伴随ATPATP酶水解，将钠离子从细酶水解，将钠离子从细胞内转移到细胞外胞内转移到细胞外 2 2种类型：种类

11、型：F F型型ATPATP酶和酶和V V型型ATPATP酶，广泛分布在古酶，广泛分布在古菌、细菌和真核生物中菌、细菌和真核生物中 NADHNADH泛醌氧化还原酶泛醌氧化还原酶 大多数细菌呼吸链中的一个组成成分，在呼吸过大多数细菌呼吸链中的一个组成成分，在呼吸过程中输出钠离子程中输出钠离子 最早在溶藻弧菌（最早在溶藻弧菌（V.alginolyticusV.alginolyticus）中发现）中发现 弧菌属、枯草杆菌属和大肠杆菌等中都有发现弧菌属、枯草杆菌属和大肠杆菌等中都有发现 2.2.次级钠泵次级钠泵 常称为常称为NaNa+/H/H+逆向转运蛋白，广泛存在细菌、真逆向转运蛋白，广泛存在细菌、真

12、菌、植物和动物细胞中，属跨膜蛋白，催化单价菌、植物和动物细胞中，属跨膜蛋白，催化单价阳离子（阳离子（NaNa+、K K+、LiLi+）输出，与质子（）输出，与质子（H H+）的输入相偶联的输入相偶联 根据结构不同分根据结构不同分2 2类：类：单亚基钠离子逆向转运蛋白单亚基钠离子逆向转运蛋白 多亚基钠离子逆向转运蛋白多亚基钠离子逆向转运蛋白 单亚基钠离子逆向转运蛋白单亚基钠离子逆向转运蛋白 普遍存在于细菌、真菌、动物和植物中普遍存在于细菌、真菌、动物和植物中 细菌中有：细菌中有：NhaANhaA、NhaBNhaB、NhaCNhaC、NhaDNhaD、NhaENhaE、NhaGNhaG、NhaPN

13、haP、ChaAChaA、MdfAMdfA 真菌中：真菌中：SOD2SOD2、Nha1Nha1 拟南芥：拟南芥：AtNHX1AtNHX1、SOS1SOS1 多亚基钠离子逆向转运蛋白多亚基钠离子逆向转运蛋白 （MrpMrp逆向转运蛋白）逆向转运蛋白）由由6-76-7个亚基组成，跨膜转运蛋白个亚基组成，跨膜转运蛋白 最早发现于耐盐芽孢杆菌最早发现于耐盐芽孢杆菌 嗜盐菌和耐盐的细菌中都存在（枯草杆菌、金葡嗜盐菌和耐盐的细菌中都存在（枯草杆菌、金葡菌等）菌等）大多数微生物都存在多个大多数微生物都存在多个NaNa+/H/H+逆向转运蛋白逆向转运蛋白 大肠杆菌：大肠杆菌：4 4种（种（NhaANhaA、N

14、haBNhaB、ChaAChaA、MdfAMdfA）枯草芽孢杆菌：枯草芽孢杆菌：5 5种（种（NhaCNhaC、NhaKNhaK、MrpMrp、MleNMleN、TetLTetL）霍乱弧菌：霍乱弧菌：6 6种？（种？（NhaANhaA、NhaBNhaB、NhaCNhaC、NhaDNhaD、MrpMrp）不仅介导钠离子输出，还参与抗生素外排、芽孢不仅介导钠离子输出，还参与抗生素外排、芽孢形成等生理活动形成等生理活动第三节第三节 嗜盐菌的应用嗜盐菌的应用 一、农业中的应用一、农业中的应用 培育耐盐作物培育耐盐作物 将编码甘氨酸甜菜碱的基因将编码甘氨酸甜菜碱的基因betAbetA转入甘蓝菜，转入甘蓝

15、菜，生物量、叶绿素含量和水分含量都有提高。在生物量、叶绿素含量和水分含量都有提高。在 150mmol/L150mmol/L和和L300mmol/L NaCIL300mmol/L NaCI条件下，生物量条件下，生物量 分别提高分别提高21.3%21.3%和和20%20%二、工业中的应用二、工业中的应用 食品工业：合成胡萝卜素、类胡萝卜素食品工业：合成胡萝卜素、类胡萝卜素 酶工业：合成分泌工业用酶酶工业：合成分泌工业用酶 SODSOD 化妆品工业：嗜盐菌细胞内积累的相容性溶质，化妆品工业：嗜盐菌细胞内积累的相容性溶质，（四氢嘧啶）作为稳定剂保护和（四氢嘧啶）作为稳定剂保护和 稳定酶、稳定酶、DNADNA、膜等大分子抗高、膜等大分子抗高 盐、抗干燥、抗冷冻、防止热变盐、抗干燥、抗冷冻、防止热变 性性 三、环境修复中的应用三、环境修复中的应用 中度嗜盐菌能降解甲醛、苯酚及其他芳烃物中度嗜盐菌能降解甲醛、苯酚及其他芳烃物 质、有机磷混合物，去除硝酸盐质、有机磷混合物，去除硝酸盐