紫云英根瘤菌nifH基因的结构及其上游区重复顺序的存在

在自然界有为数众多的原核生物具有固定分子氮的能力。这个过程是由固氮酶复合物即组分Ⅰ(钼铁蛋白)和组分Ⅱ(铁蛋白)催化进行的。编码组分Ⅰ的基因称nifD、nifK,编码组分Ⅱ的基因称nifH。以肺炎克氏杆菌(Klebsiella pneumonioe)nifHDK作为探针与不同来源的自生或共生固氮菌的DNA杂交试验表明固氮酶结构基因具较高的同源性。     

细菌聚类新方法: ddT聚类技术分析香根草联合固氮菌多样性

利用高分辨率的聚丙烯酰胺凝胶电泳技术, 采用新型遗传分析仪Li-COR 4300L, 结合测序的双脱氧链终止法原理, 建立了基于16S rDNA序列T碱基分布特征的一种新的细菌多样性聚类技术——ddT聚类技术. 应用该新的ddT聚类技术对分离自香根草的47株联合固氮菌多样性进行了聚类分析, 获得了6个不同的主要类群, 表明香根草联合固氮菌具有较大的遗传资源多样性. 应用SDS-PAGE全细胞蛋白质电泳和DNA指纹图谱方法对该聚类结果进行验证, 结果表明, 该新聚类技术可以应用于细菌的多样性聚类分析. 16S rDNA序列测定和系统发育分析表明, 供试的联合固氮菌分别与?-变形杆菌纲(γ-proteobacteria)的阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae), Enterobacter ludwigii, Pantoea ananatis, 恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida), 荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)和β-变形杆菌(β-proteobacteria)的中型假食酸菌(Pseudaci- dovorax intermedius), Mitsuaria chitosanitabida, 越南伯克氏菌(Burkholderia vietnamiensis), 佛莱辛草螺菌(Herbaspirillum frisingense)亲缘关系相近, 其中肠杆菌属、伯克氏菌属和泛菌属是香根草联合固氮菌的优势类群, 分别占分离菌株总数的45%, 19%和13%, 它们一起构成了分离菌株总数的77%.     

棕色固氮菌固氮酶对基质还原的抑制作用

为探索生物固氮机理,国际上对各种来源固氮酶催化基质还原的抑制试验早有不少报道,然而不论是经典抑制剂还是几种成对基质之间的抑制类型,国外不同实验室得到的结果很不相同;作为我国固氮研究常用菌株的棕色固氮菌(NO.230),其固氮酶对基质还原的抑制作用和有关参数,国内至今尚未见报道;因此我们在前文基质还原的动力学基础上,选择几项典型的抑制试验进行系统测试,颇有必要。     

中国生物固氮研究现状和展望

生物固氮是生命科学中的重大基础研究课题之一, 它在生产实际中发挥着重要作用: 为植物特别是粮食作物提供氮素、提高产量、降低化肥用量和生产成本、减少水土污染和疾病、防治土地荒漠化、建立生态平衡和促进农业可持续发展. 本文在介绍国际生物固氮研究进展的同时, 着重叙述了生物固氮研究取得的重大进展和成果: 收集了根瘤菌资源, 建立了最大的数据库, 修正和发展了国际上对根瘤菌的分类; 发现了固氮基因, 证实了克氏杆菌固氮基因操纵子的连锁性及正调控基因的调节机制和对氧、温度的敏感性; 发现苜蓿根瘤菌结瘤调控基因nodD3的产物对结瘤基因表达的启动不受宿主类黄酮的作用; 发现苜蓿根瘤菌的碳利用基因和固氮生物氮代射和碳代谢基因表达及其调节的偶联作用; 化学合成了根瘤菌的结瘤因子; 在固氮基因表达调节基础上, 构建了固氮基因工程菌株, 并在生产中得到应用; 提出了化学模拟固氮酶的结构和功能, 固氮酶活性中心的模型和合成了模型化合物, 受到了国际高度评价. 根据国际上研究的趋势并结合国内的研究进展, 提出了生物固氮研究的发展方向, 建议在联合(内生)固氮菌固氮基因调控及其提供氮素的作用, 根瘤菌与豆科植物共生结瘤固氮的信号传递和分子相互作用, 氮、碳代谢和固氮与光合作用的偶联与共生结瘤固氮中功能基因组学等方面展开积极研究.     

固氮斯氏假单胞菌四碳二羧酸转移酶DctPQM的跨膜结构分析与功能研究

固氮斯氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri)A1501四碳二羧酸转移酶系由dctPQM基因编码. 基因序列和结构分析表明, dctP, dctQ和dctM紧密连锁, 并在核苷酸和氨基酸水平上与自生固氮菌棕色固氮菌的四碳二羧酸结合蛋白基因dctP和转运蛋白基因dctQM高度同源. 经分析表明, DctP不含跨膜区, DctQ包含5个跨膜区, DctM包含12个跨膜区. 为验证四碳二羧酸转运系统对固氮能力的增强作用, 将含有完整dctPQM基因的DNA片段连接在自杀性转移质粒载体pSZ21的Tn5转座区域中, 获得重组质粒pSZY6. 采用三亲接合方法, 经Tn5转座作用将dctPQM基因随机插入到野生型菌株A1501的染色体上, 构建了重组菌株A-142. 经nptⅡ基因的PCR扩增实验证明, 该重组菌株确实携带了额外拷贝的dct结构基因. 该重组菌株以不同浓度的琥珀酸、延胡索酸和苹果酸(20, 10和5 mmol/ L)为惟一碳源生长时, 其固氮活性均明显高于野生型菌株A1501, 表明额外拷贝的四碳二羧酸转移酶系编码基因dctPQM能增强受体菌的固氮能力.     

固定化耐冷菌用于内循环复合生物反应器处理生活污水及其微生物学研究

为确保寒冷地区污水生物处理系统的有效运行, 分离出了6株高效冷适应微生物, 并鉴定分别隶属于动胶菌属、气单胞菌属、黄杆菌属、微球菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属. 混合耐冷菌在低温条件下COD去除效率比中温菌高出63.67%, 以软性聚氨酯泡沫为载体固定高活性耐冷菌, 用于内循环复合生物反应器(ICCBR). 以生活污水为研究对象, 通过12个月的试验室小试, 考察了ICCBR对生活污水的处理效能, 生态因子的影响, 污泥的理化特性, 及系统内的微生物生态. 结果表明: ICCBR系统在冬季4~10℃条件下的COD平均去除率为85.79%, 全年COD平均去除率为86.66%, 系统出水COD低于60 mg·L^-1, 达到污水一级B排放标准. 季节性的温度变化使得系统内的生物种类和数量发生变化, 原后生动物的数量从夏季的110000±30000微生物·mL^-1污泥减少到冬季的35000±20000微生物·mL^-1污泥, 生物膜重量也呈现出先增长后略有降低的趋势.     

人工光照条件下深红红螺菌的氢代谢途径

深红红螺菌(Rhodospirillum rubrum)在不同培养条件下分别有多种酶参与氢的代谢. 为研究R. rubrum在人工光照条件下氢代谢途径及各代谢途径对光合产氢的贡献, 分别构建了3个缺失突变株: Fe-固氮酶缺失单突变株、Fe-固氮酶和Mo-固氮酶双缺失突变株以及吸氢酶和Fe-固氮酶双缺失突变株. 比较R. rubrum野生型菌株、吸氢酶缺失单突变株及所构建3个突变株的固氮酶活性及光合氢产量. 结果表明, 在人工光照条件下, Mo-固氮酶和Fe-固氮酶是R. rubrum产氢的关键酶; 除Fe-和Mo-固氮酶外还有第3种途径参与氢代谢, 该代谢途径产生的氢气量较小. Mo-固氮酶、Fe-固氮酶和第3种途径对光合产氢的贡献率分别为93.5%, 4.9%和1.5%; 吸氢酶消耗13.3%的氢气. 甲酸裂解氢酶活性测定表明, 第3种产氢途径并非由甲酸裂解氢酶介导, 而可能是一种未知酶参与人工光照条件下R. rubrum的氢代谢.     

产酸克氏杆菌(Klebsiella oxytoca)钼铁蛋白α-423~(Ile)位点的突变导致固氮酶催化活性降低

基于前期对固氮酶催化过程中存在两条电子传递通路的推论,探索从与P原子簇共价相连的β-93Cys出发至FeMoco之间重要的氨基酸位点.通过分析固氮酶钼铁蛋白的结构,利用体外定点突变和基因替代技术,将产酸克氏杆菌(Klebsiella oxytoca)固氮酶β-102Asn,α-431Lys和α-423Ile位点分别替换为β-102Ala,α-431His和α-423Pro,获得Nβ102A,Kα431H和Iα423P突变株.3个突变对细菌固氮生长有不同程度的影响,其中Iα423P突变株几乎无固氮生长,细胞乙炔还原活性显著下降;在42 L发酵罐中培养,其细胞最高固氮酶活性仅为野生型菌株的1/6;qRT-PCR检测发现此突变株nifD基因4倍的上调表达.分离纯化Iα423P钼铁蛋白,其最高C2H2和H+还原水平分别为野生型的13%和21%.根据以上研究结果推论,突变固氮酶的催化活性显著降低,或与直接打破α-423Ile与高柠檬酸长臂之间的氢键有关,推测α-423Ile是固氮酶催化底物还原过程中,电子经高柠檬酸长臂进入活性中心Mo位的入口氨基酸.     

类蝎型吡唑衍生物过渡金属羧酸配合物的合成、结构及热稳定性质

设计并成功合成了2 种新颖的以类蝎型吡唑衍生物为配体的超分子配合物[Co₂(HL¹)₂-(seb)(H₂O)]·2.5H₂O (1)和[Cu(H₂L²)(ox)]·H₂Ox·MeOH (2) (H₂L¹=2,6-二(5-苯基-1H-吡唑-3-基)吡啶, H₂seb=癸二酸, H₂L²=2,6-二(5-甲基-1H-吡唑-3-基)吡啶, H₂Ox=草酸), 并通过元素分析、红外光谱、紫外光谱﹑X 射线粉末衍射(PXRD)和X 射线单晶结构分析对标题配合物进行了表征. 结构分析表明, 在配合物1 和2 中, 配体H₂L¹ 和H₂L² 的配位模式不同, 其中H₂L¹ 以μ₂-η¹-η¹- η¹-η¹ 模式与金属相连, 而H₂L²以μ₁-η¹-η¹-η¹ 的模式与金属相连; 癸二酸和草酸的配位模式也不同, 其中癸二酸作为单齿配体, 草酸作为二齿配体; 配合物1 通过C-H···O,O-H···O, N-H···O 氢键, 形成二维网络层状结构, 而配合物2 通过C-H···O, O-H···O, N-H···O氢键, 形成一维链状结构. 此外还对标题配合物的热稳定性进行了详细的分析.     

瞬态吸收光谱研究水相中三丁基锡与·OH自由基反应机理

利用355 nm激光闪光光解技术研究了无氧和氧饱和两种条件下三丁基锡与亚硝酸水溶液的紫外光解反应. 实验表明,·OH自由基攻击三丁基锡阳离子(SnBu₃⁺)的正丁基生成SnBu₃⁺·OH 加合物, 其二级生成速率常数为(1.05±0.07)×10¹⁰ L·mol^-1·s^-1. SnBu₃⁺·OH 加合物在无氧时发生一级衰减, 其衰减速率常数为(3.50±0.32)×10⁵ s^-1; 氧饱和时, SnBu₃⁺·OH 加合物衰减速率比无氧时要快很多, 表明SnBu₃⁺·OH 加合物能迅速与O₂发生反应, 生成SnBu₃⁺·OHO₂ 加合物. 根据实验结果和动力学推导得到其二级生成速率常数为(6.4±1.3)×10⁸ L·mol^-1·s^-1.     

水中氟喹诺酮类抗生素加替沙星的光降解

氟喹诺酮类抗生素是在水环境中不断被检出的新兴污染物, 研究其环境行为和毒理效应具有重要意义. 加替沙星是一种代表性氟喹诺酮类抗生素, 本研究考察了模拟日光照射下, 水中加替沙星的光降解动力学、影响因素与机理. 加替沙星的光解遵循准一级反应动力学. 纯水中加替沙星发生了直接光解及·OH 和¹O₂ 参与的自敏化光解, 其表观光解量子产率为(5.94± 0.95)×10⁻³. 与纯水中相比, 加替沙星在淡水、海水中光解较慢, 这归因于pH 及水中溶解性物质的复合影响. 在pH 5~11 范围内, 加替沙星在其等电点附近光解最快. Cl⁻和Fe(Ⅲ)对其光解动力学没有显著影响(P>0.05),而腐殖酸(HA)和NO₃ ⁻明显抑制其光解(P<0.1). HA 和NO₃ ⁻可以通过光掩蔽效应减慢加替沙星的光解, 或者捕获·OH 和¹O₂, 抑制自敏化光解. 发光菌(Vibrio fischeri)毒性实验表明, 加替沙星光降解生成了具有较高风险的中间产物.     

PAS结构域介导Org35蛋白与NifA之间相互作用

在巴西固氮螺菌中, 氧和铵是调节固氮基因表达的主要环境因子, 即高浓度的氧和铵抑制固氮作用. NifA蛋白(nifA基因的产物)是所有固氮基因(nif基因)的转录激活蛋白. 目前, 在该菌中, 氧和铵对NifA蛋白的表达和活性的调节机制仍然不清楚. 本研究从巴西固氮螺菌中克隆到编码含有PAS结构域蛋白的org35全基因, 将根据org35的核苷酸序列推测的Org35蛋白氨基酸序列在NCBI网上进行同源性比较, 结果表明, Org35蛋白属于杂合双组分调节系统, 包括3个结构域, 即N-端PAS结构、中间组氨酸激酶结构域(HPK)和C-端响应调节蛋白结构域(RR). 并通过酵母双杂交系统证明了Org35蛋白与NifA蛋白之间的相互作用是由PAS结构域介导的.     

普通野生稻中S5 n 基因的鉴定及其胚囊育性研究

普通野生稻具有丰富的遗传多样性, 蕴藏许多有利基因. 利用S₅ ⁿ功能性标记对来自中国14 个不同居群的441 份普通野生稻进行检测, 发现其中18 份可能携带有S₅ ⁿ 基因, 全部为杂合型, 分别来自5 个居群, 包括广东遂溪13 份, 广西玉林2 份, 海南临高、广东高州和江西东乡各1 份. 进一步对这些材料 S₅ 座位可能存在的缺失及其两端DNA 进行测序, 发现全部材料缺失的DNA 片段都与已知携带有S₅ ⁿ 的品种02428 一致, 说明这18 份材料确实存在S₅ ⁿ  基因. 对其中的15 份材料自交一代进行基因型检测, 检测到3 种不同的基因型植株, 其分离比(S₅ ⁱ S₅ ⁱ/S₅ ^j S₅ ^j :S₅ ⁿ S₅ ^i/j :S₅ ⁿ S₅ ⁿ)严重偏离1:2:1, 其中S₅ ⁿ 的杂合型和纯合型植株比例明显偏少, 说明部分S₅ ⁿ配子可能无法正常受精. 对4 份代表性材料的S₅ 座位进行全序列测定并与栽培稻比较, 显示普通野生稻S₅ ⁿ  序列出现少数碱基的差异. 初步推测S₅ ⁿ基因在普通野生稻中已形成, 属于古老的基因. 对携带有S₅ ⁿ材料的胚囊育性进行研究, 发现育性总体偏低, 表明这些材料还可能存在除S₅ 座位外决定胚囊育性其他座位的互作.     

水为自由基源的电晕放电引发羟基自由基及氧化甲苯

以水为自由基源通过电晕放电的方法产生强氧化性羟基自由基(·OH), 通过电子自旋共振技术(ESR)直接证实了·OH的生成. 电晕放电产生的·OH能有效降解气态有机污染物从而降低废气的毒性. 实验表明, 在以含饱和水蒸气的空气为介质的含甲苯废气中, 在电晕放电极间电压为20 kV, 放电电流为0.1 mA, 反应时间为120 s, 甲苯初始浓度为168 mg/m³的条件下, 甲苯的降解效率接近100%. 并检测到了7种溶解在液相中的甲苯氧化中间产物. 环境友好的·OH的应用为气态污染物的脱除开辟了新的途径.     

肺炎克氏杆菌固氮酶双突变株的构建及其对底物还原的特性

通过定点突变及基因替代技术, 将肺炎克氏杆菌(Klebsiella pneumoniae, Kp)野生型菌株的固氮酶钼铁蛋白α亚基中铁钼辅因子(FeMoco)周围多肽链的Glnα190和Hisα194分别置换为Lys和Gln, 并构建成2个单突变株,命名为Kp-Qα190K和Kp-Hα194Q. 将上述2个突变分别引入Kp-nifV突变株(与FeMoco相连接的高柠檬酸被柠檬酸置换)获得另外2个双突变株, 命名为Kp-Qα190K-nifV^&#8722;和Kp-Hα194Q-nifV^&#8722;. 对上述4种突变株进行诱导培养和细胞的固氮酶活性分析表明, 4种突变株都失去了固氮活性, 乙炔(C₂H₂)还原活性也大幅度降低, Kp-Qα190K单突变株的乙炔还原活性比Kp-Hα194Q单突变株下降得多; Kp-Qα190K-nifV^&#8722;双突变株几乎完全丧失了活性, 而Kp-Hα194Q-nifV^&#8722;野生型菌株10%的乙炔还原活性. 突变株将氘代乙炔(C₂D₂)还原成氘代乙烯(C₂D₂H₂)的情况是: Kp-Qα190K和Kp-Hα194Q-nifV^&#8722;突变株的C₂D₂还原产物中, 反式-1,2-二氘代乙烯比例比Kp野生型增加了1倍, 表明固氮酶催化加氢的立体构型选择性降低. 以上结果表明, 固氮酶活性中心周围多肽环境中Glna190残基, 及与FeMoco相连的高柠檬酸, 可能直接参与质子和/或电子向活性中心FeMoco的传递. 推测Glna190和与FeMoco的Mo原子相连的高柠檬酸, 在质子和/或电子通过Mo位进入FeMoco起关键作用. 这种双突变株所产生的固氮酶, 有利于在体外研究固氮酶的催化机制, 可以通过分析用于还原底物的电子和质子进入活性中心FeMoco的位点, 推测出底物在活性中心中的络合和还原的部位.     

基于210Po/210Pb不平衡的南大洋与南海颗粒有机物的输出与再矿化

对南大洋及南海上层水体²¹⁰Po/²¹⁰Pb不平衡进行了研究, 发现表层水体²¹⁰Po亏损, 次表层或中层水体²¹⁰Po过剩, 且颗粒态²¹⁰Po比活度与颗粒有机碳(POC)之间存在良好的正相关关系, 证实²¹⁰Po相对于其母体²¹⁰Pb的亏损与过剩可示踪颗粒有机物的输出与再矿化. 次表层水体中δ¹³C的减小及δ¹⁵N的增大等证据均支持²¹⁰Po的过剩缘自颗粒有机物的再矿化. 根据箱式模型计算得南大洋和南海表层水体POC输出通量分别为1.2和2.3 mmol C·m^-2·d^-1, 次表层或中层水体²¹⁰Po再矿化通量分别为0.062和0.566 Bq·m^-2·d^-1, 相应的再循环效率分别为52%±26%和119%±52%, 由此得到次表层或中层水体POC的再矿化通量分别为0.6和2.7 mmol C·m^-2·d^-1. 本研究的结果表明²¹⁰Po/²¹⁰Pb不平衡不仅可示踪颗粒有机物的输出, 亦可示踪其再矿化.     

N2和H+在固氮酶活性中心金属原子簇中还原位点的分析

目前研究表明, 固氮酶的生理底物氮气(N₂)和质子(H⁺)在钼铁蛋白中的铁钼辅因子(FeMo-co)上被还原, 但其确切的还原位点尚未确定. 对比分析了棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii, Av)野生型(WT)与5种突变株(包括FeMo-co附近2个保守氨基酸α-191^Gln和α-195^His单突变菌株(Qα191K和Hα195Q)、FeMo-co上钼原子相连的高柠檬酸突变株(nifV^&#8722;)以及α-191^Gln和α-195^His与高柠檬酸的双突变菌株(Qa191K/nifV ^&#8722; 和Hα195Q/nifV^&#8722;))固氮酶催化还原N₂和H⁺活性的变化, 结果表明, N2在靠近FeMo-co中心硫原子(S2B)的Fe2和Fe6上络合和还原, FeMo-co上的钼原子是H+还原的位点. 结合生物信息学分析结果显示, [8Fe7S]和FeMo-co之间可能存在两条平行的电子传递通路.     

利用C基因组C0t-1 DNA比较分析稻属A, B, C, D基因组

以药用野生稻(CC) C₀t-1 DNA作为探针, 对其自身体细胞染色体和栽培稻×药用野生稻杂交后代F1, 回交后代BC₁以及宽叶野生稻(CCDD), 高秆野生稻(CCDD)和斑点野生稻(BBCC)体细胞染色体进行荧光原位杂交实验. 在药用野生稻体细胞染色体中, 同源染色体呈现相似的C₀t-1 DNA杂交带型, 并对其核型进行了同源性聚类. 对F₁ (AC)和2个BC₁ (AAC和ACC)的杂交实验中, 在不封阻的情况下, 药用野生稻C基因组C₀t-1 DNA探针能清晰地鉴别C组染色体, 而在A组染色体上信号分布很少, 说明A基因组与药用野生稻C基因组中高度重复序列同源性较低. 此外, 对宽叶野生稻、高杆野生稻和斑点野生稻3个四倍体体细胞染色体进行了FISH分析, 在24条C组染色体上均可观察到较强的杂交信号, B和D基因组的24条染色体上信号较少, 但在D组染色体上的信号较B组染色体的多, 说明D与C基因组的亲缘关系较B与C基因组的近. 进一步分析发现, 高杆野生稻D组染色体上的杂交信号要比宽叶野生稻D组染色体上的杂交信号多, 说明高杆野生稻的D基因组与C基因组的同源性要高, 这可能是高秆野生稻和宽叶野生稻同属于CCDD染色体组型但可区分为不同种的原因之一. 上述结果表明, C₀t-1 DNA具有很强的种的特异性和依赖基因组型的特异性, 利用C₀t-1 DNA作探针更能有效地对不同基因组进行FISH鉴定. 同时, 本研究采用F₁植株和BC₁植株, 即1个二倍体和2个三倍体人工选育杂种, 与宽叶野生稻、高杆野生稻和斑点野生稻进行了基于C基因组C₀t-1 DNA杂交的比较分析, 对稻属异源四倍体的可能起源机制进行了初步探讨.     

高重复性silicalite-1分子筛膜的制备及其渗透汽化性能

利用原位水热合成法在二氧化硅陶瓷管上制备出具有较高重复性的silicalite-1分子筛膜, 8个分子筛膜平均分离系数的相对标准偏差(R.S.D.)仅为7.5%. 与没有进行填充所制备的分子筛膜相比, 通过利用有效的“溶液填充”方法, 膜的平均透量提高了49%, 80℃分离乙醇/水混合物时, 膜的最高透量达到了1.49 kg/(m²·h). 渗透汽化实验结果表 明, silicalite-1分子筛膜60℃分离甲醇/水, 乙醇/水, 2-丙醇/水和1-丙醇/水混合物时, 膜的透量分别为2.63, 0.87, 0.24和0.20 kg/(m²·h), 对应的分离系数分别为22, 69, 81和159.     

新型三核双膦胺(PNP)配体的合成及其在乙烯四聚反应中的应用

合成了一个新型的三核双膦胺(PNP)配体并进行了结构鉴定. 该配体与Cr(Ⅲ)及甲基铝氧烷(MAO)组合形成活泼的催化体系用于乙烯四聚制1-辛烯反应. 反应活性高, 催化剂寿命长. 考察了反应温度、Al/Cr物质的量之比及PNP/Cr物质的量之比对反应活性以及对1-辛烯的选择性. 研究了该体系催化下的乙烯四聚反应动力学. 在Al/Cr物质的量之比为100的条件下, 催化活性可达2.29×10⁶ g·mol^-1 (Cr)·h^-1, 对1-辛烯的选择性为49.65%(质量分数).