细菌抗铜机制的研究现状

新疆农业大学专业文献综述题目:细菌抗铜机制的研究现状姓名:王自立学院:林学与园艺学院专业:设施农业科学与工程班级:设施122学号:123232224成绩：指导教师:刘君职称:副教授20016年3月4日细菌抗铜机制的研究现状作者：王自立指导老师：刘君摘要：本文归纳了国内近些年细菌抗铜机制的研究现状，概括了不同领域前辈有关植物病原菌、动物病原菌有关铜的生理作用及毒性，对近几年阐述较为清晰的几种细菌的抗铜机制进行概述，主要包括Cop系统、Cut系统、Pco系统、Cus系统、P型ATP酶排除系统、非ATP酶排除系统的铜外排系统，和多聚磷酸盐参与的铜外排系统，等方面的认识，提出了细菌抗铜机制与相关基因的关系研究方向。关键词：植物病原细菌；动物病原细菌；瓜类细菌性果斑病；抗铜性ResearchstatusofthemechanismofbacterialresistancetocopperWangZi-liLiuJunAbstract:thispapersummarizesthedomesticresearchsituationofthemechanismofbacterialresistanceofcopperinrecentyears,summedupthepredecessorsaboutdifferentareasofplantpathogenicbacteria,animalpathogenicbacteriaaboutthephysiologicalfunctionofcopperandtoxicity,inrecentyearsinthispaper,therelativelyclearseveralkindsofbacteriaresistanceofcoppermechanismaresummarized,mainlyincludingtheCop,theCut,Pcosystem,Cus,p-typeatpaseeliminationsystem,ATPenzymesystemofcopperoutsidethesystem,andpolyphosphateincopperoutsidethesystem,suchasunderstanding,putforwardthemechanismofbacterialresistancetocopperandrelatedgeneresearchdirection.keywords:Plantpathogenicbacteria;Animalpathogenicbacteria;Melonbacterialfruitblotch;Resistancetocopper铜是植物生长必需的微量元素，是细菌维持正常新陈代谢所必需的元素，是一些酶不可或缺的成分，如细胞色素氧化酶、超氧化物歧化酶和赖氨酸氧化酶等适量的铜可促进植物生长，但是过量的铜不仅会给植物的生长带来毒害，而且还会在植物根、茎、叶、及果实中过量积累进入食物链危机人类健康[1]。因为铜能参与细胞生化反应产生活性氧簇，破坏细胞内的金属键与金属平衡，它还能与生物大分子如蛋白质等结合，影响其正常的生理功能及活性[2]。因此，利用铜对细菌的毒害作用，研制除了铜素杀菌剂。铜素杀菌剂在农业生产中是一类重要的杀菌剂，随着该类杀菌剂的广泛使用，特别是由于一些耐铜菌株的出现[3]。导致铜素杀菌剂的用量随之提高，但铜属于重金属元素.长期大量使用会积聚于土壤中.破坏土壤微生物群落的生态环境，使农作物产生药害，危害人类健康[4]。而瓜类和蔬菜对许多药剂敏感，更加容易发生药害，尤其是苗期抗药力弱，用药应十分慎重。细菌在长期进化中形成了多种机制来抵抗重金属离子的毒害，人们对细菌的抗铜机制进行了大量深入的研究，提出了各种解释。本文主要从细菌对铜的隔离沉积和排出的角度作简要概述，为深入研究细菌的抗铜机制提供参考和借鉴。1研究细菌抗铜机制目的、意义1.1研究抗铜机制目的根据植物与细菌之间的关系把细菌分为两类，一类会引起动植物致病称为病原细菌，另一类对动植物有利称为促生细菌。铜对植物相关细菌的毒害表现在细胞内过低浓度的铜离子会影响一些酶活性及酶参与的代谢当铜浓度过高时会通过参与生物化学反应来生成活性氧簇。使细菌细胞内金属平衡和金属键被破坏铜离子能够氧化DNA蛋白和脂类，促进自由基形成来毒害细菌。本次试验利用Tn5转座子插入诱变技术，构建一定容量的细菌性果斑病菌的突变体库，通过铜敏感性检测筛选抗铜性改变的突变体，并初步分析与细菌性果斑病菌抗铜性相关的基因信息，从而探究细菌抗铜机制，利用得出的结论进一步探究细菌抗铜原理，并大胆的提出假设对以后的研究有指导作用。1.2研究抗铜机制意义铜是所有生活在好氧环境中的生物所必须的微量元素，它是许多金属蛋白和金属酶的组成成分,因此它在细胞中起着重要的作用。但是过高浓度的铜离子对细胞,包括对微生物就有毒了，主要是由于它可以产生自由基从而引起脂类的过氧化引起蛋白质、多糖和核酸的直接氧化，它还可以与蛋白分子中的疏基结合而使得许多酶失活[6]，铜成为毒性的浓度依不同的生物而变化,通常在1～10μmol/L之间,但是大肠杆菌可以在高达4mmol/LCuSO4的LB培养基中生长。其抗铜的机制主要是减少吸收、增加排出和产生铜结合物,其中以第三种多见。徽生物抗铜有很多报道,大多数是由质粒编码的,如大肠杆菌(Escherichiacoli)丁香假单胞菌(Pseudomonassyringaepv.tomato)和野油菜黄单胞菌(Xan-thomonascampestrispv.vescicatoira)。铜对植物的毒害主要表现在以下几个方面影响植物生长使植物长势减缓，抑制根系生长等。影响光合作用和呼吸系统，过量铜降低植物叶片光合效率抑制光合链的电子传递影响正常呼吸作用影响细胞超微结构。过量铜破坏叶绿体、线粒体、超微结构，影响细胞膜透性过量铜破坏植物细胞膜及多种细胞器膜系统，影响可溶性蛋白和酶活性通过干预酶促作用而影响光合、代谢、呼吸正常进行。研究细菌抗铜机制将对农业生产有积极的作用。2细菌抗铜机制的主流研究方向2.1Cop系统最早的Cop系统是在Pseudomonassyringaepv.tomato中发现的。该系统涉及到的6个基因，分别为CopA、CopB、CopC、CopD、CopR和CopS，其中CopA、CopB、CopC和CopD为结构基因，CopR和CopS为调节基因。Cop系统的调节是由CopR和CopS实现的，CopS是传感蛋白，位于细胞膜上，CopR是激活蛋白可与DNA结合。CopR和CopS调节系统是典型的磷酸转移双组分系统。CopS感受外界铜离子的浓度变化当浓度超过生理需求时，CopS与铜离子结合，同时水解ATP，被磷酸化CopS结合在CopR上，激活CopR，使转录发生。2.2非ATP酶排出模式非ATP酶排出模式与ATP酶排出模式的主要区别在于前者是质粒基因编码的蛋白，该蛋白充当载体将重金属铜离子通过传递运输排出到细胞外。该模式3种系统（Cut系统、Pco系统和Cus系统）的抗铜机制基本相似。以Cut系统为例：Cut系统涉及8个基因CutB、CutC、CutD、CutE、CutF、CutR和CutS。其中CutA、CutB、CutC、CutD、CutE和CutF为结构基因，CutR和CutS为调节基因。CutA和CutB是细胞内膜蛋白，参与铜的吸收，CutC为细胞质蛋白，在细胞质内参与铜外排的传递，CutD为周质蛋白，相当于铜外排的载体。Cut和CutD协同参与铜的排放，CutE为铜结合蛋白参与细胞内的的铜结合。2.3P型ATP酶排出模式P型ATP酶是一个转运家族，负责金属的转运和排出P型铜转运ATP酶基因由染色体上的抗铜基因编码。此酶含有一个保守的CPx-（x=C，H，或S）基序，促进铜离子的转运和排出并伴随ATP水解。2.4多聚磷酸盐参与的铜外排系统多聚磷酸盐是由正磷酸盐通过磷酸酐键连接而成的线状多聚物，可以作为ATP的来源、细胞质内的磷酸盐库、金属离子的螯合剂，并可以缓和细胞内的金属压力[7]。3细菌抗铜机制国内外的研究现状3.1细菌抗铜机制国外的研究现状丁香假单胞菌种（Pseudomonassyringae）中的丁香假单胞菌番茄致病变种（P.syringaevpv.tomato），丁香假单孢菌猕猴桃致病变种（P.syringaevpv.actinidiae）；野油菜黄单胞菌种（Xanthomonascampestris）中的野油菜黄单胞辣椒斑点致病变种（X.campestrispv.vesicatoria），野油菜黄单胞核桃致病变种（核桃黄极毛杆菌）（X.campestrispv.juglandis）；丁香假单胞菌番茄致病变种是第一个从分子水平上进行抗铜机理相关研究的植物病原细菌，该菌通过隔离沉积铜的方式抗铜，其存在于质粒上的cop系统表达的CopA、CopB和CopC蛋白与Cu2+结合沉积，Cu2+在周质空间与CopA和CopC结合被封闭，从而使细胞质中的游离Cu2+浓度得到控制，避免了高浓度Cu2+对细菌细胞的毒害。此外，有的细菌染色体上存在P-型铜转运ATP酶基因（CPx-型ATP酶），其编码蛋白利用水解ATP将Cu2+转运出质膜,如Rhizobium的ActP基因和P.putida的cueAR基因。含铜蛋白质的结构与功能研究中verhoeven和Takad，于1956年在假单胞菌属的细菌Pseudomonasaetuginosa在细菌中含铜蛋白质的一种蓝色色素中发现的。将这种蓝色色素命名为蔚蓝体azurin）,简称Az。他在细菌中的功能是参与铁氧化系统[8]。由于微生物细胞壁表面有羧基、巯基等基团,细胞膜具有各类型吸附专性蛋白,因此,重金属可在细胞壁、膜表面富集,并形成晶体。TanjaK.等人在含AgNO350mmol/L的培养基中,在30℃暗室对假单胞菌PseudomonasstutzeriAG259培养48h后提取菌体,通过能量弥散X射线分析、电子衍射与扫描电镜观察等实验发现,银离子在细胞内外膜上形成三种不同形状的晶体[9]。Rou比等人最近提出一个模型来阐述大肠杆菌中铜的代谢圈。该模型包括五个主要部分:(1)铜的摄人;(2)铜在细胞质中的运输;(3)铜的渗排;(4)铜对细胞的损伤，铜含量的调节。3.2细菌抗铜机制国内的研究现状王君等人研究野油菜黄单胞菌种（Xanthomonascampestris）中的野油菜黄单胞辣椒斑点致病变种（X.campestrispv.vesicatoria），野油菜黄单胞核桃致病变种（核桃黄极毛杆菌）（X.campestrispv.juglandis）；柑橘黄单胞菌柑橘亚种（X.citrissubsp.citri）。刘艳丽、李春华研究大肠杆菌重金属抗性机制的研究中发现研究表明,pcoABCDRSE共同组成了大肠杆菌的铜抗性pco系统。其pco系统作用机制是非ATP酶排出模式。这一系统最初称为pcoARBC,序列分析发现pcoARBC与丁香假单孢菌铜抗性cop系统中copABCD十分相似。利用Tn5转座子插入诱变技术，构建一定容量的细菌性果斑病菌的突变体库，通过铜敏感性检测筛选抗铜性改变的突变体，并初步分析与细菌性果斑病菌抗铜性相关的基因信息[10]。吴亚男在研究植物相关细菌铜抗性研究进展中发现铜是植物生长必需的微量元素，但过量的铜会给植物的生长带来毒害铜对植物的毒害主要表现在以下几个方面①影响植物生长。使植物长势减缓②抑制根系生长等。影响光合作用和呼吸系统降低植物叶片光合效率抑制光合链，影响正常呼吸作用③过量铜破坏叶绿体，线粒体超微结构[11]。刘志培研究铜和其他重金属离子诱导大肠杆菌抗铜启动子的研究发现。在研究瓜类细菌性果斑病（bacterialfruitblotch，BFB）时赵文龙通过硫酸铜防效试验，对不同亚群菌株的硫酸铜防效进行检测，利用同源标记置换的原理，构建了抗铜相关p型ATP酶基因（0034）突变菌株经过试验他得出了突变菌株与野生型菌株相