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深海是一个特殊的生态环境,这里不仅低温、高压、黑暗、寡营养,而且氧气浓度也较低。深海特殊的生态环境造就了生活在该环境下生物的特异生理代谢特性,研究该生态系统下的微生物的生理特性,对于了解极端微生物的生活特性,极端微生物资源的开发利用具有重要的意义。本文所研究的细菌Shewanella piezotolerans WP3为一株分离自西太平洋1914米深海沉积物中的一株革兰氏阴性菌。WP3为一杆状的兼性厌氧菌,属于r-proteobacterium,具有55个编码细胞色素C的基因,比Shewanella oneidensisMR-1（42个编码细胞色素C基因）多13个。在有氧培养条件下,WP3的菌体呈现淡紫色,同时逆转录PCR实验的结果也表明这些细胞色素C在有氧条件下也具有一定程度的转录。这个结果表明即使在有氧条件下,WP3的厌氧呼吸途径也在起作用并为其提供生命活动所必须的能量来源。这些细胞色素C很可能对WP3适应低氧气浓度这一深海特异的生长环境因子具有重要的生理学意义。如何维持好细胞内的Fe离子浓度的平衡对于所有的细菌均具有重要的生理意义:一方面,生命活动离不开铁离子。铁离子是一些功能蛋白的结构组成成分,如异柠檬酸脱氢酶亚基中的Fe-S结构域,它还是细胞内重要代谢的催化因子如DNA代谢,TCA循环,糖酵解等都离不开铁离子的参与;另一方面,铁离子尤其是还原态的二价铁离子浓度过高容易通过Feton Reaction导致细胞的氧化损伤。WP3的特意的生理特性及其所生活的环境决定了研究WP3中Fur如何调控细胞内铁离子水平更具重要意义。一方面,WP3相对于普通细菌,需要更多的铁离子。WP3所具有的特异的厌氧呼吸途径上的大量细胞色素C的成熟需要大量的铁离子的参与,不仅如此WP3能够以Fe3+作为最终电子受体进行厌氧呼吸。另一方面,WP3所处的原生活环境中可直接利用的铁离子浓度低,铁离子一般以固态化合物形式大量存在于深海沉积物中而非海水中。与铁离子的存在形式相反,硫酸盐在深海环境中的浓度高。所以深海是一个低可溶性铁离子高硫酸盐的特异生理环境。Fur是存在于大部分细菌中的调控细胞内Fe离子浓度平衡的一个调控因子,具有多样的调控方式对目的基因的转录进行调控。同样在WP3基因组中,我们也找到了一个fur基因。为了研究WP3的铁离子平衡调控,我们构建了一株fur基因缺失突变的WP3,简称Fur。通过基因芯片研究我们发现在WP3中该基因具有重要生理作用,该基因的删除导致了大量基因的差异表达。Fur的基因芯片结果与低Fe离子浓度培养的基因芯片结果对比发现:虽然这两个芯片实验的数据中差异表达的基因中与铁离子转运相关的基因表达方向具有较好的一致性,证明Fur在WP3中主要起调控细胞内铁离子平衡的作用。但是还有大量的基因在这两组数据中表达的方向相反,表明fur的缺失突变与缺铁培养所造成WP3的生理状态具有较大的差异。通过分析,我们发现很可能是细胞内Fe2+浓度的不一样造成。与其他菌株的Fur调控因子缺失突变结果相似,H2O2的耐受性实验中Fur存活率大大低于野生WP3,表明了Fur细胞内过高Fe2+浓度导致更加剧烈的FetonReaction反应进而杀伤细胞。通过检测细胞内的Fe2+浓度,我们发现fur的缺失突变的确导致细胞内Fe2+水平的上升。不仅如此,通过检测fur突变株的厌氧代谢生长状况发现fur的删除突变造成厌氧呼吸速率受到影响。这是首次发现fur的删除突变会影响到希瓦氏属细菌的厌氧呼吸速率。通过基因芯片数据的分析,发现这很可能是由于血红素合成途径,及细胞色素C成熟途径上的基因下调。我们比较了fur突变株与野生WP3厌氧条件下的细胞色素C,发现所有的细胞色素C的含量在fur突变株中均低于野生WP3而不是单个或某些细胞色素C的低表达所致。通过在以血红素为添加剂的Fur培养及ccmC的删除突变,证实细胞成熟途径上基因的下调很可能就是导致Fur厌氧呼吸能力削弱的主要原因。在本论文中,我们第一次在深海细菌中发现,硫酸盐同化途径对于其铁离子的吸收具有重要作用。在fur突变株中我们发现,与硫酸盐同化作用进而产生半胱氨酸的代谢途径上的基因全面上调。我们删除掉了该代谢途径上的cysG基因得到了一个cysG突变,同时删除了该途径上的cysN和cysD两个基因,构建了抑制cysND突变。对这两个突变子的检测发现他们对WP3吸收环境中低浓度的铁离子均具有重要作用。半胱氨酸是合成siderophores所必须的,而sideropores是细菌铁离子转运所必须的化合物,所以半胱氨酸对于Fe离子的转运具有重要的作用。在细菌中半胱氨酸的获得途径比较多样,其中最主要的是通过其他氨基酸转化或直接从外界吸收而来,通过硫酸盐同化途径仅仅是细菌获得半胱氨酸的一个不重要的分支。我们分析硫酸盐同化途径对于WP3的铁离子吸收很重要,这是由于在深海寡营养的生态环境下WP3可直接利用的得半胱氨酸很少而硫酸盐相对丰富,通过硫酸盐同化途径合成半胱氨酸对WP3适应其所生活的深海环境具有重要意义。