微囊藻毒素生物降解过程mlr基因功能和mRNA转录水平响应机制的研究

During the biodegradation of microcystin-LR (MC-LR), the mRNA transcription status of mlrA、mlrB、mlrC、mlrD genes responsed to various nutrient conditions in the culture, and the functions of mlrD gene still remain unclear. The research of this project can be specified as: (i) to construct a mlrD-deficited mutant derived from MC-degrading bacteria of wild type and a mlrD-complemented strain, and in the presence of the wild-type MCs-degrading strain, the mlrD-deficited mutant,or the mlrD-complemented strain, to compare the biodegrading activity of MC-LR and its degradative products（linear MC-LR, tetrapeptide and Adda）, and concurrent dynamics in mRNA transcription levels of mlr genes under various nutrient conditions;(ii) to compare the uptake efficiency of the mlrD-complemented strain with mlrA、mlrB、mlrC-deficit for MC-LR and its degradative products under various nutrient conditions. This project aims to reveal the difference in mechanisms for mRNA transcription of mlr genes responsed to different nutrient conditions, and to elucidate the MlrD's transportation potential for MC-LR and its degradative products, as well as the effects of mlrD-deletion and -complementation on the biodegradation of MC-LR.

在微囊藻毒素-LR (MC-LR)的生物降解过程中，mlrA、mlrB、mlrC、mlrD基因mRNA转录水平随不同共存营养基质的响应机制，以及mlrD基因发挥的功能，目前尚不清楚。本项目拟进行如下研究：（i）构建MCs降解菌的mlrD基因缺失突变株、突变株的mlrD基因互补菌株，并在不同种类和浓度营养基质共存条件下，比较突变株、互补株和野生型MCs降解菌的MC-LR及其降解产物（线型MC-LR、四肽、Adda）的降解活性，以及各降解过程中mlr基因mRNA转录水平的动态变化；（ii）比较mlrA、mlrB、mlrC三基因缺失的mlrD互补菌株在不同种类和浓度营养基质共存条件下，对MC-LR及其降解产物的吸收富集效能差异。本项目旨在揭示mlr基因mRNA转录水平对不同共存营养基质的响应差异，弄清MlrD对MC-LR及其降解产物的转运特性，及mlrD基因缺失、互补对MC-LR降解过程的影响。

富营养化引起的蓝藻水华是全球普遍的水环境问题，多种水华蓝藻可产生释放微囊藻毒素（microcystins，MCs），危及生态系统和人类健康，其中以微囊藻毒素-LR （MC-LR）最具代表性，生物降解是实现MCs环境消除的有效途径。在MC-LR生物降解过程中，降解相关功能基因（mlr）表达（mRNA转录水平）随不同共存营养源的响应机制，以及mlrD基因发挥的功能及其对MC-LR降解的影响，目前尚不清楚。对此，本项目通过构建MCs降解菌Novosphingobium sp. THN1的mlrD基因缺失突变株、突变株的mlrD基因互补菌株和能够异源表达MlrD的重组菌，开展如下研究：（i）在不同营养源处理条件下，以野生型MCs降解菌、突变株和补全恢复株为研究对象，比较MC-LR的降解性以及降解过程中mlr基因表达动态；（ii）比较MlrD异源表达株在不同营养源处理条件下，对MC-LR及其降解产物的吸收富集效能差异。取得以下成果：（i）磷酸氢二钾或硝酸钠（均为100 mg L-1）显著促进野生降解菌株对MC-LR的生物降解，降解速率分别为无营养源添加处理16.65和2.29倍，而氯化铵（100 mg L-1）的添加则显著抑制降解，为无营养源添加处理的73.53%；在各不同营养源条件下，mlr基因表达动态趋势相似，即均于降解开始42h时表达量最高，之后随降解的进行逐渐降低；（ii）在不同营养源添加条件下，MC-LR生物降解速率与mlr基因表达高低均存在显著正相关，阐释了营养源添加通过调控野生降解菌mlr基因表达进而影响MC-LR的生物降解效率；（iii） 在各营养源处理条件下，mlrA与mlrD基因表达动态相同，体现良好的相关关系（r2>0.98），揭示出mlrA与mlrD基因存在共转录现象，证实了前人的假说；（iv）已成功构建MlrD异源表达株，为后续研究打下基础，部分研究结果待发表。本项目揭示MCs生物降解相关基因表达对不同营养源共存的响应差异，弄清MlrD在MC-LR降解过程中发挥的功能及其特性，以及mlrD基因缺失与互补对MC-LR降解的影响，旨在从分子及酶水平上揭示MCs生物降解的微观机制，为高效应用生物降解技术实现MCs污染修复提供实验依据和理论支持。