1、微生物的耐鹽機制微生物的耐鹽機制第一節 嗜鹽微生物 概念概念 嗜鹽微生物嗜鹽微生物(halophilic(halophilic microorganism) microorganism)是生是生長的最適鹽濃度大于長的最適鹽濃度大于0.2mol/L0.2mol/L（氯化物）的微生（氯化物）的微生物。物。 根據微生物對鹽的需要可將細菌和古菌分為四類：根據微生物對鹽的需要可將細菌和古菌分為四類： 非嗜鹽微生物（菌）非嗜鹽微生物（菌） 輕度嗜鹽微生物（菌）輕度嗜鹽微生物（菌） 中度嗜鹽微生物（菌）中度嗜鹽微生物（菌） 極端嗜鹽微生物極端嗜鹽微生物 （菌）（菌） 最適最適NaCINaCI濃度濃度 非嗜鹽

2、菌非嗜鹽菌 弱嗜鹽菌弱嗜鹽菌 1%-3%1%-3% 中度嗜鹽菌中度嗜鹽菌 3%-15%3%-15% 極端嗜鹽菌極端嗜鹽菌 13%-15%13%-15%中度嗜鹽菌和極端嗜鹽菌屬于極端環境微生物中度嗜鹽菌和極端嗜鹽菌屬于極端環境微生物大多存在于海洋、鹽（堿）湖、鹽場、沙漠植物、大多存在于海洋、鹽（堿）湖、鹽場、沙漠植物、鹽漬食物等高鹽環境中鹽漬食物等高鹽環境中兩者區別：對兩者區別：對NaCINaCI濃度要求不同濃度要求不同 不同類群（細菌和古菌）不同類群（細菌和古菌） 中度嗜鹽菌和極端嗜鹽菌的種類中度嗜鹽菌和極端嗜鹽菌的種類 中度嗜鹽菌中度嗜鹽菌 生長離不開鹽、適應鹽濃度范圍寬（生長離不開鹽、適應

3、鹽濃度范圍寬（0.1%-32%0.1%-32%） 典型的是鹽單胞菌科（典型的是鹽單胞菌科（HalomonadaceaeHalomonadaceae），下有），下有1010余各屬，最大的屬為余各屬，最大的屬為HalomanasHalomanas（鹽單胞菌屬），（鹽單胞菌屬），6060余個種，主要成員余個種，主要成員Halomonas elongataHalomonas elongata（伸長（伸長鹽單胞菌）鹽單胞菌）極端嗜鹽菌極端嗜鹽菌 屬古菌，屬古菌，1818個屬，個屬，4949個種。屬需氧微生物，菌落個種。屬需氧微生物，菌落呈紅色或粉紅色呈紅色或粉紅色 NaNa+ +對嗜鹽菌的影響對嗜鹽菌的

4、影響 很多微生物可以耐受一定濃度的很多微生物可以耐受一定濃度的NaCINaCI，但沒有，但沒有依賴性。依賴性。 大腸桿菌、葡萄球菌、根瘤菌大腸桿菌、葡萄球菌、根瘤菌 中度嗜鹽菌和極端嗜鹽菌對中度嗜鹽菌和極端嗜鹽菌對NaCINaCI有很強的依賴有很強的依賴性性, ,在沒有在沒有NaCINaCI的環境中不能生長的環境中不能生長 第二節 微生物的鹽適應機制一、滲透調節一、滲透調節1.1. 內鹽機制內鹽機制2.2. 有機滲透質機制有機滲透質機制二、二、 NaNa+ +輸出機制輸出機制1.1.初級鈉泵初級鈉泵2.2.次級鈉泵次級鈉泵一、滲透調節一、滲透調節1.1. 內鹽機制（內鹽機制（KCIKCI機制）

5、機制） 屬無機滲透質機制屬無機滲透質機制 菌體內積累高濃度菌體內積累高濃度KCIKCI，以，以K K+ + 和和CICI- -作為滲調劑，作為滲調劑，維持滲透平衡維持滲透平衡 多數極端嗜鹽菌采用此種機制多數極端嗜鹽菌采用此種機制 某些高等植物也通過積累鉀來抵抗鹽危害某些高等植物也通過積累鉀來抵抗鹽危害 利用內鹽機制進行滲透調節的微生物，細胞內的蛋白質含利用內鹽機制進行滲透調節的微生物，細胞內的蛋白質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） 利于蛋白質形成水合外層，保持正常的構型和功能利于蛋白質形成水合外層，保持正常的構型和功能2. 2. 有機滲透質機制（親和性

6、溶質機制）有機滲透質機制（親和性溶質機制） 親和性溶質：生理親和性溶質：生理pHpH條件下不帶凈電荷、高度可溶的小條件下不帶凈電荷、高度可溶的小分子有機物分子有機物 親和性溶質在細胞內積累，不影響細胞的正常形態、結親和性溶質在細胞內積累，不影響細胞的正常形態、結構和功能構和功能 環境中滲透壓增高時，通過積累親和性溶質平衡滲透壓環境中滲透壓增高時，通過積累親和性溶質平衡滲透壓 取代水與蛋白質表面的結合，保護蛋白質的穩定取代水與蛋白質表面的結合，保護蛋白質的穩定 親和性溶質的產生：自身合成，細胞外吸收親和性溶質的產生：自身合成，細胞外吸收 幾種常見的親和性溶質幾種常見的親和性溶質 氨基酸類：脯氨酸

7、、谷氨酸氨基酸類：脯氨酸、谷氨酸 氨基酸衍生物類：四氫嘧啶、脯氨酸甜菜堿氨基酸衍生物類：四氫嘧啶、脯氨酸甜菜堿 小分子肽類：小分子肽類：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 磺酸脂類：膽堿磺酸脂類：膽堿-O-O-磺酸磺酸 多羥基化合物類：甘油、甘油葡萄糖苷多羥基化合物類：甘油、甘油葡萄糖苷 糖類：海藻糖、蔗糖糖類：海藻糖、蔗糖 脯氨酸脯氨酸大多數細菌滲透脅迫時細胞內積聚高濃度脯氨酸大多數細菌滲透脅迫時細胞內積聚高濃度脯氨酸革蘭陽性菌：胞內合成革蘭陽性菌：胞內合成革蘭陰性菌：提高轉運水平革蘭陰性菌：提高轉運水平脯氨酸轉運系統：脯氨酸轉運系統：PutPPutP、ProPPr

8、oP、ProUProU 甘氨酸甜菜堿、脯氨酸甜菜堿、谷氨酸甜菜堿甘氨酸甜菜堿、脯氨酸甜菜堿、谷氨酸甜菜堿 自然界中最重要的相容性溶質自然界中最重要的相容性溶質 存在原核生物、動物和植物存在原核生物、動物和植物 自行合成自行合成 四氫嘧啶四氫嘧啶 嗜鹽菌的重要的親和性溶質嗜鹽菌的重要的親和性溶質 自行合成自行合成 海藻糖海藻糖 蔗糖、麥芽糖、纖維二糖、龍膽二糖、松二糖蔗糖、麥芽糖、纖維二糖、龍膽二糖、松二糖 大腸桿菌、沙門菌從頭合成海藻糖大腸桿菌、沙門菌從頭合成海藻糖 ostABostAB操縱子編碼的兩種酶催化海藻糖的生成操縱子編碼的兩種酶催化海藻糖的生成 二、二、NaNa+ +輸出系統輸出系統

9、 將細胞內多余的鈉離子排到細胞外，維持細胞內將細胞內多余的鈉離子排到細胞外，維持細胞內較低的鹽濃度較低的鹽濃度 細菌存在細菌存在2 2種種NaNa+ +輸出系統輸出系統 1.1.初級鈉泵初級鈉泵 包括四類：脫羧酶、甲基轉移酶復合體、包括四類：脫羧酶、甲基轉移酶復合體、ATPATP酶和酶和NADHNADH泛醌氧化還原酶泛醌氧化還原酶 脫羧酶脫羧酶 催化草酰乙酸脫羧，在催化脫羧反應時向細胞外催化草酰乙酸脫羧，在催化脫羧反應時向細胞外輸出鈉離子輸出鈉離子 主要包括：草酰乙酸脫羧酶、甲基丙二酰輔酶主要包括：草酰乙酸脫羧酶、甲基丙二酰輔酶A A脫脫羧酶、戊烯二酰輔酶羧酶、戊烯二酰輔酶A A脫羧酶、丙二酸

10、脫羧酶脫羧酶、丙二酸脫羧酶 甲基轉移酶復合體甲基轉移酶復合體 產甲烷古菌的初級鈉泵，催化甲基從甲基四氫甲產甲烷古菌的初級鈉泵，催化甲基從甲基四氫甲 烷喋呤轉移到輔酶烷喋呤轉移到輔酶M M，在此過程中偶聯鈉離子輸，在此過程中偶聯鈉離子輸 出出 有有8 8個不同的個不同的MtrMtr亞基，亞基，MtrAMtrA、MtrBMtrB、MtrCMtrC、 MtrDMtrD、MtrEMtrE、MtrFMtrF、MtrGMtrG、MtrHMtrH，由轉錄單元，由轉錄單元 mtrEDCBAFGHmtrEDCBAFGH編碼編碼 ATPATP酶酶 與細胞膜相連，伴隨與細胞膜相連，伴隨ATPATP酶水解，將鈉離子從

11、細酶水解，將鈉離子從細胞內轉移到細胞外胞內轉移到細胞外 2 2種類型：種類型：F F型型ATPATP酶和酶和V V型型ATPATP酶，廣泛分布在古酶，廣泛分布在古菌、細菌和真核生物中菌、細菌和真核生物中 NADHNADH泛醌氧化還原酶泛醌氧化還原酶 大多數細菌呼吸鏈中的一個組成成分，在呼吸過大多數細菌呼吸鏈中的一個組成成分，在呼吸過程中輸出鈉離子程中輸出鈉離子 最早在溶藻弧菌（最早在溶藻弧菌（V. alginolyticusV. alginolyticus）中發現）中發現 弧菌屬、枯草桿菌屬和大腸桿菌等中都有發現弧菌屬、枯草桿菌屬和大腸桿菌等中都有發現 2. 2. 次級鈉泵次級鈉泵 常稱為常稱

12、為NaNa+ +/H/H+ +逆向轉運蛋白，廣泛存在細菌、真逆向轉運蛋白，廣泛存在細菌、真菌、植物和動物細胞中，屬跨膜蛋白，催化單價菌、植物和動物細胞中，屬跨膜蛋白，催化單價陽離子（陽離子（ NaNa+ +、K K+ +、LiLi+ +）輸出，與質子（）輸出，與質子（ H H+ + ）的輸入相偶聯的輸入相偶聯 根據結構不同分根據結構不同分2 2類：類： 單亞基鈉離子逆向轉運蛋白單亞基鈉離子逆向轉運蛋白 多亞基鈉離子逆向轉運蛋白多亞基鈉離子逆向轉運蛋白 單亞基鈉離子逆向轉運蛋白單亞基鈉離子逆向轉運蛋白 普遍存在于細菌、真菌、動物和植物中普遍存在于細菌、真菌、動物和植物中 細菌中有：細菌中有：Nh

13、aANhaA、NhaBNhaB、NhaCNhaC、 NhaDNhaD、NhaENhaE、NhaGNhaG、NhaPNhaP、ChaAChaA、MdfAMdfA 真菌中：真菌中：SOD2SOD2、Nha1Nha1 擬南芥：擬南芥：AtNHX1AtNHX1、SOS1SOS1 多亞基鈉離子逆向轉運蛋白多亞基鈉離子逆向轉運蛋白 （MrpMrp逆向轉運蛋白）逆向轉運蛋白） 由由6-76-7個亞基組成，跨膜轉運蛋白個亞基組成，跨膜轉運蛋白 最早發現于耐鹽芽孢桿菌最早發現于耐鹽芽孢桿菌 嗜鹽菌和耐鹽的細菌中都存在（枯草桿菌、金葡嗜鹽菌和耐鹽的細菌中都存在（枯草桿菌、金葡菌等）菌等） 大多數微生物都存在多個大

14、多數微生物都存在多個NaNa+ +/H/H+ +逆向轉運蛋白逆向轉運蛋白 大腸桿菌：大腸桿菌：4 4種（種（NhaANhaA、NhaBNhaB、ChaAChaA、MdfAMdfA） 枯草芽孢桿菌：枯草芽孢桿菌：5 5種（種（NhaCNhaC、NhaKNhaK、MrpMrp、MleNMleN、 TetLTetL） 霍亂弧菌：霍亂弧菌：6 6種？（種？（NhaANhaA、NhaBNhaB、NhaCNhaC、NhaDNhaD、 MrpMrp） 不僅介導鈉離子輸出，還參與抗生素外排、芽孢不僅介導鈉離子輸出，還參與抗生素外排、芽孢形成等生理活動形成等生理活動第三節第三節 嗜鹽菌的應用嗜鹽菌的應用 一、農業中的應用一、農業中的應用 培育耐鹽作物培育耐鹽作物 將編碼甘氨酸甜菜堿的基因將編碼甘氨酸甜菜堿的基因betAbetA轉入甘藍菜，轉入甘藍菜， 生物量、葉綠素含量和水分含量都有提高。在生物量、葉綠素含量和水分含量都有提高。在 150mmol/L150mmol/L和和L300mmol/L NaCIL300mmol/L NaCI條件下，生物量條件下，生物量 分別提高分別提高21.3%21.3%和和20%20% 二、工業中的應用二、工業中的應用 食品工業：合成胡蘿卜素、類胡蘿卜素食品工業：合成胡蘿卜素、類胡蘿卜素 酶工業：合成分泌工業用酶酶工業：合成分泌