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细菌生物膜是指细菌为适应特定自然环境,在生长过程中形成的附着于固体介质表面的特殊功能结构。生物膜的形成能力对细菌发挥生理功能具有决定性因素,大量报道发现,生物膜在菌体的胁迫抗性、耐药性、宿主吸附、有效侵染及致病性等过程中具有重要功能。不同细菌形成的生物膜组份变化多样,而且影响生物膜形成的环境因素和调控机制也不尽相同。开展相关研究对于全面认识细菌的群体行为及解析重要代谢功能的发挥具有重要意义。施氏假单胞菌A1501是一株联合固氮菌,可以侵入禾本科植物的内根际进行固氮作用。围绕该菌的固氮基因表达调控、环境适应机理等工作开展了大量的研究,但关于A1501生物膜形成机理及其对外界信号的响应机理未见报道。本研究测定了A1501菌生物膜的组成成分、影响生物膜形成的环境因素与营养条件,明确了A1501菌生物膜形成的最适条件,进一步聚焦外界葡萄糖信号诱导生物膜形成的分子机理,取得了以下结果: (1)在A1501菌生物膜形成前期与成熟期分别加入蛋白酶K、DNaseⅠ、纤维素酶、藻酸盐裂解酶处理菌体,结晶紫染色检测4种酶对生物膜形成能力的影响,进而验证A1501菌生物膜形成的主要影响因素。结果显示,无论生物膜形成前期与成熟期加入4种酶类,均可以抑制或降解生物膜的形成。推测蛋白质、DNA、纤维素、藻酸盐等成分是A1501菌生物膜的重要影响因素,推测为重要组成成分。此外,研究通过设置不同酶浓度梯度与处理时间,建立了酶处理A1501生物膜的反应体系。 (2)测定了不同NaCl浓度、pH值、温度等培养条件下A1501生长及其生物膜形成的机理。研究发现,NaCl浓度2mmol/L、pH值6.8、温度30℃是A1501的最适生长条件,而在0.6mol/L的NaCl、pH值6.0及温度40℃等胁迫条件下,A1501菌的生物膜形成量均达到最高,分别为最佳生长条件下的7.8、7.0和2.0倍。除环境因素外,同时测定了不同碳氮条件对A1501生物膜形成的影响,结果表明非优势碳源葡萄糖的添加诱导了生物膜的形成,达到优势碳源乳酸钠培养条件的2.3倍。不同氮源浓度对A1501生物膜形成的测定表明,限氮条件下生物膜形成量最高,为有氮(2-24mmol/L)条件的2.4-5.7倍。 (3)确定了A1501生物膜形成的最适条件,分别为NaCl浓度0.6mol/L,pH值6.0,温度40℃,碳源为葡萄糖,限氮。上述3种环境因素与2种营养条件均对A1501菌生物膜形成具有显著影响,且呈现出规律性,即生物膜的形成与菌体生长负相关,即高盐、弱酸、高温、葡萄糖、限氮等条件不利于A1501的生长,但刺激了其生物膜的形成。 (4)研究发现葡萄糖的添加强烈诱导了A1501生物膜的形成,推测葡萄糖是诱导A1501生物膜形成的重要信号分子。通过qRT-PCR分析,发现葡萄糖的添加特异的诱导了A1501菌中参与生物膜形成的多个基因的表达,包括非编码RNA rsmX1、RNA聚合酶因子AlgU基因,脂多糖基因lpxB、kdsC、rmlD、wbpM,但是第二信使环二鸟苷酸c-di-GMP调控基因sadC与bifA及纤维素合成基因bcsA与bcsE的表达量没有受到影响,暗示葡萄糖可能通过诱导RsmA调控系统、AlgU调控系统与脂多糖合成的途径刺激了A1501生物膜的形成,具体作用机理值得进一步深入研究。 综上所述,本研究初步明确了A1501菌生物膜的组成成分,阐明了外界环境因素与营养条件对A1501菌生物膜形成能力的影响,进一步解析了A1501生物膜的形成机理,筛选获得了生物膜形成的外界信号分子葡萄糖,并就葡萄糖诱导生物膜形成的分子机理进行了初步的探索,为深入阐述A1501菌的生物膜分子调控、根系定殖与生物固氮的协同关系研究奠定了重要的理论基础。