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在污染生境中,由广宿主质粒介导的水平基因转移是土壤微生物群落适应环境选择压力并加速污染物代谢的重要机制,该方式所介导的微生物修复途径可以解决传统修复途径仅投加高效降解菌所面临的持久性和稳定性的问题。但由于分离方法和全基因组测序成本的限制,目前已鉴定的广宿主(Broad host range,BHR)质粒仅有20几个,其中具有特定代谢功能的质粒更不多见。沈抚灌区是我国面积最大污灌历史最长的石油污水灌区,经长年接触石油烃污染物,必然蕴藏着丰富的降解基因资源,而这些降解基因很有可能存在广宿主质粒这一可移动基因元件上,因此,沈抚灌区石油污染生境中的土壤微生物群落为分离独特的广宿主石油烃代谢质粒资源提供了一个天然库藏。
本研究采用“三亲配对外源分离法”,利用Escherichia coli CV601-gfp/E.coliDH5α(pSU4814)和E.coli K12/E.coli JM109(pBBR1MCS-5)两个配对体系,从灌区土壤、底泥和水样中共计分离到8个不同遗传型的广宿主可自转质粒。通过药敏实验对其进行抗生素抗性检测,对于无抗性选择标记的质粒采用pUTminiTn5质粒进行抗性标记,并经二次接合转移至E.coli宿主中进行随后的遗传操作。
通过PCR扩增已报道的石油烃污染物降解基因的方法初步研究了所分离质粒的石油烃代谢功能,结果表明各质粒均含有3到5种与石油烃代谢相关的基因片段,其中邻苯二甲酸双加氧酶基因(C23O)和水杨酸羟化酶基因(nahG)在8种质粒中都有;质粒pS3-2G、pS7-2G、pA23-1G、pW22-3G和pA10-1C上含有编码芳香环羟化双加氧酶基因(phdA)、苯双加氧酶基因(ben)和甲苯单加氧酶基因(touA)的片段;pA15-7G含有编码苯双加氧酶基因(ben)、甲苯双加氧酶和甲苯单加氧酶基因片段;pS3-2C含有编码芳香环羟化双加氧酶、苯双加氧酶和甲苯双加氧酶基因片段;pS4-6G仅含有编码苯双加氧酶基因片段。
通过双亲接合对8种质粒进行宿主范围检测,结果表明除质粒pS3-2C,其余7个质粒均可在Proteobacteriaα-、β-、γ-亚纲的代表性菌株Agrobacteriumtumefaciens C58、Cupriavidus necator JMP228、E.coli EC100间进行转移并稳定传代。
对所获得的7个不同遗传型广宿主代谢质粒进行全基因组测序分析,目前已获得质粒pA10-1C、pS7-2G和pW22-3G全基因组扫描结果,基因预测及注释结果证明3种质粒都具有BHR质粒的典型骨架基因,但系统发育分析发现,其骨架基因与之前已报道的BHR质粒相比亲缘关系较远,且具有独特的排列方式。本研究对扩展广宿主可自转代谢质粒的数据库信息具有重要意义,同时也为接种广宿主质粒介导的生物修复作用提供了理论依据及遗传材料。