磺酰脲類除草劑氯嘧磺隆在全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用,導(dǎo)致其在農(nóng)田土壤和灌溉水體中長殘留,對敏感作物和其他非靶標(biāo)生物如微生物、藻類等造成藥害,引起嚴(yán)重的環(huán)境問題。通過微生物降解實(shí)現(xiàn)對氯嘧磺隆污染環(huán)境的生物修復(fù)是一種可行且有前景的策略,但現(xiàn)有研究多集中于降解菌的篩選,鮮見關(guān)于降解基因和降解酶的報道,其降解過程的分子機(jī)制更有待深入闡明。
中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所微生物資源與生態(tài)組團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域持續(xù)進(jìn)行創(chuàng)新性研究。前期獲得了一株氯嘧磺隆高效降解菌,經(jīng)鑒定為新種新屬,命名為“成剛菌屬嗜甲基短桿菌Chenggangzhangella methylocysteaceae CHL1”。對該菌進(jìn)行全基因組測序,基于數(shù)據(jù)庫的注釋,預(yù)測與氯嘧磺隆降解相關(guān)的基因,并通過基因敲除、基因回補(bǔ)以及異源表達(dá)等技術(shù)進(jìn)行降解功能的分析驗(yàn)證。
研究發(fā)現(xiàn),菌株CHL1的基因組由一條環(huán)狀染色體組成,無質(zhì)粒,長度為5,542,510 bp,G+C含量為68.17mol%。通過將數(shù)據(jù)庫的注釋信息與已報道的磺酰脲類除草劑降解基因序列進(jìn)行比對分析,菌株CHL1中的3個基因sulE、pnbA、gst被預(yù)測參與氯嘧磺隆的降解過程。為驗(yàn)證預(yù)測基因的降解功能,分別對菌株CHL1中的3個基因sulE、pnbA、gst進(jìn)行基因敲除和基因回補(bǔ)試驗(yàn)。結(jié)果表明,與野生型菌株CHL1相比,敲除菌株CHL1ΔsulE、CHL1ΔpnbA、CHL1Δgst降解氯嘧磺隆的能力分別降低19.5%、10.4%、10.8%。而回補(bǔ)菌株CHL1ΔsulE[pEG-sulE]、CHL1ΔpnbA[pEG-pnbA]、CHL1Δgst[pEG-gst]降解氯嘧磺隆的能力則與野生型菌株CHL1相比無明顯差異。為分析基因所表達(dá)酶的降解機(jī)制,將菌株CHL1中的3個基因sulE、pnbA、gst分別克隆并在大腸桿菌系統(tǒng)中表達(dá)。結(jié)果表明,谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶GST催化氯嘧磺隆的磺酰脲橋斷裂,酯酶PnbA和SulE均能使氯嘧磺隆苯環(huán)側(cè)鏈去酯化。本研究不僅初步解析了菌株CHL1降解氯嘧磺隆的分子機(jī)制,還可為磺酰脲類除草劑污染環(huán)境的生物修復(fù)提供新途徑。
該成果以“Whole Genome Sequencing of a Chlorimuron-Ethyl-Degrading Strain: Chenggangzhangella methanolivorans CHL1 and Its Degrading Enzymes”為題于2022年發(fā)表在Microbiology Spectrum(2區(qū),IF=9.043)。博士研究生于志雄為第一作者,徐明愷研究員、張惠文研究員為共同通訊作者,該研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)黑土專項(xiàng)、沈陽市科技局重大科技成果轉(zhuǎn)化(雙百項(xiàng)目)、國家自然科學(xué)基金、遼寧省博士科研啟動資金項(xiàng)目的資助。

圖1. 菌株CHL1突變株的PCR驗(yàn)證和氯嘧磺隆的降解能力

圖2. SulE、PnbA和GST對氯嘧磺隆的降解產(chǎn)物和降解途徑




