双组分系统在普通脱硫弧菌金属腐蚀中的调控机制

The anaerobic sulfate-reducing bacteria (SRB) is one of the major microbial groups that cause iron corrosion. So far very little is known about the regulatory mechanisms governing biofilm formation and its corrosion activity on iron, which has slowed down various efforts of developing more efficient corrosion inhibitors. This proposal aims at deciphering regulatory mechanisms of microbial corrosion by two-component regulatory systems (TCSs), and identifying new corrosion control targets in the model SRB, Desulfovibrio vulgaris. The research is proposed based on two scientific hypotheses: i) TCSs proteins may be involved in regulation of biofilm formation in D. vulgaris and its corrosion activity on iron; ii) gene expression heterogeneity exists in different parts of biofilms and bacteria in different parts of biofilms play varying roles in iron corrosion. The proposed study will combine mutant analysis, transcriptomics and single-cell based gene expression profiling technologies to identify TCSs and their downstream genes related to biofilms formation and corrosion activity in D. vulgaris. The research will improve the understanding of the molecular mechanisms of SRB biofilm formation, and eventually provide most needed theoretical foundation for iron corrosion control.

厌氧菌硫酸盐还原菌（SRB）是导致金属腐蚀的主要微生物种群之一。对SBR形成生物膜并造成金属腐蚀的分子机制目前还很不清楚，限制了抗微生物腐蚀制剂的开发和应用。本申请计划使用SRB模式菌普通脱硫弧菌（Desulfovibrio vulgaris）为研究对象，研究细菌中广泛存在的信号转导系统-双组分调控系统（TCSs）对微生物金属腐蚀过程的调控机制，进而发现开发新的抗腐蚀制剂的基因目标。研究基于以下两个科学假设：一）TCSs 参与调控脱硫细菌生物膜生长及所引起的金属腐蚀；二）生物膜不同部位的细菌的基因表达存在异质性，不同部位的细菌对金属腐蚀的作用有所不同。本研究将结合突变株分析，转录组学以及单细胞分析等多种方法，发现和鉴定在D. vulgaris中与生物膜形成及金属腐蚀相关的TCSs及其下游相关基因，提高在遗传学水平上对普通脱硫弧菌生物膜形成的分子机制的理解，为金属腐蚀防护提供必需的理论基础。

硫酸盐还原菌是引起厌氧微生物金属腐蚀的主要种群，普通脱硫弧菌（Desulfovibrio vulgaris Hildenborough）是硫酸盐还原菌的一株模式菌株，在自然界中，通常以生物膜的状态存在。为了探究生物膜的形成机理，进一步了解脱硫弧菌及其代谢物在金属铁腐蚀过程中的作用机理，本研究以普通脱硫弧菌作为研究对象，（1）利用液相色谱质谱联用技术（LC-MS）和气相色谱质谱联用技术（GC-MS）对对数期和平台期的生物膜细胞、浮游细胞以及纯培养细胞进行代谢组学测定分析，寻找生物膜变化过程中关键的代谢产物；（2）使用基于单细胞的RT-qPCR 技术，解析生物膜形成相关基因的异质性；（3）利用共生培养技术和单细胞RT-qPCR分析技术，对比分析D. vulgaris与巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）共生代谢和纯培养硫酸盐代谢的基因表达差异。研究首次建立了针对脱硫弧菌生物膜的代谢组学分析方法，并鉴定了一系列与生物膜金属腐蚀相关的核心代谢物，发表SCI论文4篇, 申请专利1项。研究结果为生物膜形成机理的研究奠定了理论基础，同时对于微生物金属腐蚀防护的工作指明了新的方向。