刘升波博士毕业论文.doc
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1、山东大学博士学位论文分类号: Q93单位代码:10422密 级:学 号:200711436博 士 学 位 论 文论文题目:海冰细菌Pseudoalteromonas sp. SM20310和深海细菌Zunongwangia profunda SM-A87胞外多糖的研究Study on the Exopolysaccharides from Sea-ice Bacterium Pseudoalteromonas sp. SM20310 and Deep-sea Bacterium Zunongwangia produnda SM-A87作 者 姓 名 刘 升 波 专 业 微生物学 指导教师姓名
2、陈 秀 兰 专业技术职务 教 授 2012年4月15日原 创 性 声 明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名: 日 期: 关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,
3、可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名: 导师签名: 日 期: 2山东大学博士学位论文目录摘 要IAbstractVI缩 写XII第一章 研究背景与立题依据11.1 研究背景11.1.1 细菌胞外多糖21.1.1.1 细菌多糖的分类21.1.1.2 细菌胞外多糖的组成与结构31.1.1.3 细菌胞外多糖的生理功能31.1.1.4 细菌胞外多糖的生物合成和组装41.1.1.5 细菌胞外多糖的生物合成的遗传调控71.1.1.6 细菌胞外多糖的物理性质81.1.1.7 细菌胞外多糖的发酵生产91.1.1.8 细菌胞外多糖的提取和纯化13
4、1.1.1.9 细菌胞外多糖的结构解析151.1.1.10 细菌胞外多糖的应用171.1.2 海洋极端环境细菌胞外多糖的研究进展191.1.2.1 海洋细菌胞外多糖的生物学功能191.1.2.2 海洋细菌胞外多糖的结构201.1.2.3 南北极环境的细菌胞外多糖201.1.2.4 深海环境的细菌胞外多糖221.2 立题依据与研究内容251.2.1 立题依据251.2.2 研究内容26第二章 海冰细菌中胞外多糖产生菌的筛选和鉴定282.1 引言282.2 试验材料、试剂与仪器282.2.1 菌株和质粒282.2.2 主要试剂292.2.2.1 主要试剂和试剂盒292.2.2.2 试剂的配制292
5、.2.3主要仪器设备302.2.4 培养基312.2.5 数据库及分析软件312.3 试验方法312.3.1 苯酚硫酸法总糖标准曲线的制作和样品中总糖含量测定312.3.2 高产胞外多糖菌株的筛选322.3.2.1 刚果红平板法322.3.2.2 富糖平板菌落筛选322.3.2.3 液体发酵培养基筛选332.3.3 菌株SM20310的初步鉴定332.3.3.1 生长特性研究332.3.3.2 16S rRNA基因序列的获得和系统发育学分析332.4 结果与分析352.4.1总糖标准曲线352.4.2 高产胞外多糖菌株的筛选352.4.3 菌株SM20310的初步鉴定372.4.3.1 生长特
6、性研究372.3.3.2 系统发育学分析382.5 讨论40第三章 海冰细菌SM20310胞外多糖的发酵、分离纯化和结构解析413.1 引言413.2 试验材料、试剂与仪器423.2.1 菌株423.2.2 主要试剂423.2.3 主要仪器设备433.2.4 培养基433.3 试验方法433.2.5 菌株SM20310胞外多糖的发酵条件优化433.3.1.1发酵液多糖含量的测定433.3.1.2 不同碳源对胞外多糖产量的影响443.3.1.3 不同温度对胞外多糖产量的影响443.3.1.4 不同盐度对胞外多糖产量的影响443.3.2 菌株SM20310胞外多糖的分离纯化443.3.2.1 菌株
7、SM20310胞外多糖的提取443.3.2.2 菌株SM20310胞外多糖的分离纯化453.3.2.3 纯化的胞外多糖的纯度检验453.3.3 菌株SM20310 胞外多糖的结构解析463.3.3.1 糖基组成分析463.3.3.2 糖苷键连接类型分析463.3.3.3 核磁共振图谱分析463.4 结果与分析473.4.1 菌株SM20310胞外多糖的发酵条件优化473.4.1.1 不同碳源对胞外多糖产量的影响473.4.1.2 不同温度对胞外多糖产量的影响483.4.1.3 不同盐度对胞外多糖产量的影响493.4.2 菌株SM20310胞外多糖的分离纯化503.4.2.1 DEAE-Seph
8、arose Fast Flow阴离子交换层析503.4.2.2 Sepharose 4B凝胶层析513.4.2.3 纯化的胞外多糖的纯度检验513.4.3 菌株SM20310胞外多糖的结构解析533.4.3.1 糖基组成分析533.4.3.2 糖苷键连接类型分析543.4.3.3 核磁共振分析553.5 讨论60第四章 海冰细菌SM20310胞外多糖的生态学作用624.1 引言624.2试验材料、试剂与仪器634.2.1 菌株和样品634.2.2 主要试剂634.2.3 主要仪器设备634.2.4 培养基634.3 试验方法634.3.1 菌株SM20310 胞外多糖对菌株高盐耐受性的影响63
9、4.3.2 菌株SM20310 胞外多糖的防冻保护作用644.3.1 1 胞外多糖对其自身的防冻保护作用644.3.1.2 胞外多糖对非南极细菌E. coli的防冻保护作用644.4 结果与分析654.4.1 菌株SM20310 胞外多糖对菌株高盐耐受性的影响654.4.2 菌株SM20310 胞外多糖的防冻保护作用674.5 讨论68第五章 深海沉积物细菌SM-A87胞外多糖的发酵条件优化715.1 前言715.2 实验材料、试剂和仪器735.2.1 菌株样品735.2.2 主要试剂745.2.3 主要仪器设备745.2.4 培养基745.3 试验方法745.3.1发酵液粘度和多糖含量测定7
10、45.3.2不同碳源对于胞外多糖产量的影响745.3.3 响应面法优化产胞外多糖发酵条件755.3.3.1 PB设计755.3.3.2 最陡爬坡试验775.3.3.3 中心组合设计785.3.3.4 统计学分析795.3.3.5 验证最优发酵条件795.3.4 降低发酵胞外多糖成本的研究795.3.4.1 用乳清代替乳糖发酵胞外多糖795.3.4.2 用豆粕代替蛋白胨和酵母粉发酵胞外多糖805.3.5 乳清与乳糖发酵的胞外多糖的流变学性质比较805.3.5.1 胞外多糖的提取805.3.5.2 胞外多糖的浓度对溶液粘度的影响805.3.5.3 剪切速率对不同浓度胞外多糖的粘度影响815.3.5
11、.3 温度对胞外多糖粘度的影响815.3.5.4 pH对胞外多糖的粘度的影响815.3.5.5 盐浓度对胞外多糖的粘度的影响815.4 结果与分析815.4.1不同碳源对于胞外多糖产量的影响815.4.2 响应面法优化产胞外多糖发酵条件825.4.2.1 PB设计825.4.2.2 最陡爬坡试验845.4.2.3 中心组合设计845.4.2.4 验证最优发酵条件895.4.3 降低发酵胞外多糖成本的研究905.4.3.1 不同乳清浓度对胞外多糖产量的影响905.4.3.2 用豆粕代替蛋白胨和酵母粉发酵胞外多糖915.4.4 乳清与乳糖发酵的胞外多糖的流变学性质比较925.4.4.1 胞外多糖的
12、浓度对溶液粘度的影响925.4.4.2 剪切速率对不同浓度胞外多糖的粘度影响935.4.4.3 温度对胞外多糖粘度的影响945.4.4.4 pH对胞外多糖的粘度的影响955.4.4.5 盐浓度对胞外多糖的粘度的影响955.5 讨论96第六章 深海沉积物细菌SM-A87胞外多糖的分离纯化和结构解析1006.1 引言1006.2 实验材料、试剂和仪器1016.2.1 菌株和样品1016.2.2 主要试剂1016.2.3 主要仪器设备1016.2.4 培养基1016.3 试验方法1016.3.1 菌株SM-A87胞外多糖的分离纯化1016.3.1.1 菌株SM-A87胞外多糖的提取1016.3.1.
13、1 菌株SM-A87胞外多糖的分离纯化1026.2.2 菌株SM-A87胞外多糖的结构解析1026.2.2.1 糖基组成分析1026.2.2.2 糖苷键连接类型分析1026.2.2.3 核磁共振图谱分析1026.4 结果与分析1036.4.1 菌株SM-A87胞外多糖的分离纯化1036.4.1.1 DEAE-Sepharose Fast Flow阴离子交换层析1036.4.1.2 Sepharose 4B凝胶层析1046.4.1.3 纯化的胞外多糖的纯度检验1046.4.2 菌株SM-A87胞外多糖的结构解析1066.4.2.1 糖基组成分析1066.4.2.2 糖苷键连接类型分析1076.4
14、.2.3 核磁共振分析1086.4 讨论114第七章 深海沉积物细菌SM-A87乳糖利用机制的初步探索1177.1 引言1177.2 实验材料、试剂和仪器1177.2.1 实验材料1177.2.2 主要试剂和试剂盒1177.2.3 主要仪器设备1187.2.4 培养基1187.2.5 数据库及分析软件1187.3 试验方法1187.3.1 菌株SM-A87乳糖转运机制分析1187.3.1 菌株SM-A87的培养和取样1197.3.2 菌株SM-A87总RNA的提取和反转录1207.3.3 RT qPCR1217.3.3.1 引物设计1217.3.3.2 PCR体系和程序1227.4 结果与分析
15、1237.4.1菌株SM-A87乳糖转运机制分析1237.4.2 -半乳糖苷酶的相对表达量1257.4.3 菌株SM-A87对乳糖分解代谢的途径分析1277.4 讨论129全文总结与展望1311 本论文取得的创新性结果1312 本论文存在的问题及展望132参考文献133在读期间发表的论文目录143致 谢144153海冰细菌Pseudoalteromonas sp. SM20310和深海细菌Zunongwangia profunda SM-A87胞外多糖的研究摘 要海洋覆盖了超过75%的地表面积,这就提供了一个巨大的发现新化合物及其新用途的潜在资源。海洋微生物种类繁多、分布广泛,在海冰和深海等极
16、端环境中都有大量微生物生存。海冰是地球上最主要的生境之一,海冰最大能覆盖35 106 km2即地球表面积的13%。海冰环境由于低温、高盐等特殊的生存环境,使得生存于其中的微生物能够产生具有特殊功能的次级代谢产物。此外,60%的海洋是深度超过2000 m的深海,深海是一个特殊的生态环境,这里永久低温(深海热液口除外)、高压、黑暗、高盐、寡营养。深海中生活着多种极端微生物,比如嗜(耐)热菌、嗜(适)冷菌、嗜(耐)压菌、嗜(耐)盐菌等,它们是各种极端大分子化合物的产生菌,因此深海微生物也是分离纯化各种极端化合物的重要资源。胞外多糖是一类高分子的碳水化合物多聚物,据报道海洋中的微生物细胞表面大都包裹一
17、层胞外多糖。胞外多糖在帮助细菌适应低温、高盐以及寡营养的海洋环境中有重要的作用。研究海洋极端环境细菌分泌产生的胞外多糖,可能能够揭示其适应不断变化的海洋极端环境的适应机制。这将有助于阐明生物的起源以及适应与进化等生物学重大理论问题。同时,海洋极端环境微生物也是新的功能化合物和特殊功能基因的重要来源,具有潜在的应用前景和巨大开发价值。菌株Pseudoalteromonas sp. SM20310分离自北极海冰,海冰样品是2003年8月中国第二次北极科学考察期间搭乘中国破冰船雪龙号采自Canada Basin (7730N-8012N)。本论文解析了菌株SM20310分泌产生的胞外多糖的结构,随后
18、研究了胞外多糖在海冰环境中的生态学功能。菌株Zunongwangia profunda SM-A87是从南冲绳海槽1245 m深的海底沉积物中分离得到,经鉴定为新属,命名为Zunongwangia profunda SM-A87。经研究发现此株菌在胞外可以形成由多糖构成的很厚的荚膜。本论文以深海细菌SM-A87 为出发菌株,用响应面法研究了胞外多糖的最佳发酵条件,提高了其胞外多糖的产量,并初步解析了胞外多糖的结构,随后对菌株SM-A87利用乳糖的机制进行了初步探索。1. 海冰细菌中胞外多糖产生菌的筛选和鉴定本论文用刚果红平板法、富糖平板法和液体发酵培养三种筛选方法,对北极海冰来源的110株细菌
19、进行了筛选,筛选出了13株高产胞外多糖的细菌。这13株菌的胞外多糖的产量在50-567 mg/L之间,其中菌株SM20310是胞外多糖产量最高的一株菌。对菌株SM20310的16s rRNA基因序列进行了测定与分析,结果显示其基因序列与Pseudoalteromonas属的相似性达到99%,因此菌株SM20310属于假交替单胞菌属。用16s rRNA基因序列构建的进化树也表明了菌株SM20310属于Pseudoalteromonas属,并且与该属中的Pseudoalteromonas issachenkonii和Pseudoalteromonas tetraodonis最为相近,暂定名为Pse
20、udoalteromonas sp. SM20310。2. 海冰细菌SM20310胞外多糖的发酵、分离纯化和结构解析本论文研究了不同碳源、不同培养温度和不同盐度对菌株SM20310胞外多糖产量的影响。结果显示,碳源为葡萄糖时,菌株SM20310胞外多糖产量最高,由此确定葡萄糖作为产糖的最佳碳源。在7oC低温条件下,胞外多糖的产量高于其在15oC和35oC条件下的产量。在10、30、60和90不同的盐度下,胞外多糖产量有明显不同。在30盐度条件下,接近于菌体生长繁殖的最适盐度,胞外多糖产量最高。而在低盐10 NaCl条件下,产糖量提高较快但最终产量略低于30盐度条件。在高盐60和90 NaCl浓
21、度下菌株生长较慢,但在长时间培养后也能达到较高的胞外多糖产量,这说明菌株Pseudoalteromonas sp. SM20310的胞外多糖可能在高盐条件下有一定生态学功能,与海冰盐通道中高盐度环境相适应。随后,本论文用DEAE-Sepharose Fast Flow阴离子交换层析和Sepharose 4B凝胶层析技术对菌株SM20310胞外多糖进行了分离纯化,经检测其纯度和均一度达到了色谱纯,符合进一步结构分析的要求。最后,本论文对胞外多糖的结构进行了解析,通过GC/MS分析了菌株SM20310胞外多糖的单糖组成种类,结果显示SM20310胞外多糖主要单糖组成是甘露糖(71.7%)、葡萄糖(
22、10.7%)以及少量的鼠李糖(2.1%)、木糖(0.9%)、半乳糖(9.0%)、N-乙酰半乳糖胺(1.5%)和N-乙酰葡萄糖胺(0.7%)。糖苷键连接方式分析表明,菌株SM20310胞外多糖中末端甘露糖残基,2或3-连接的甘露糖残基是最主要的组分。可以看出,此多糖为高度分支的甘露聚糖,并含有少量的其他单糖残基。1-D质子谱显示出几个异头物信号(H 5.29, 5.11, 在5.06 ppm和4.91 ppm处有重叠信号),在3.4和4.2 ppm之间有糖环的重叠峰。分析2-D NMR数据可知,主要的异头物信号来自于各种连接方式的-甘露糖残基。在4.52 ppm (d, J1,2=7.8Hz)
23、处的小的异头物信号可能来自于1,4-连接的-D-葡聚糖。多糖的骨架由1,2-,1,6-Man组成,并且有相当多的6-Man的2-位有单个的末端甘露糖或两个甘露糖残基的侧链:6)-Manp-(16)-Manp-(16)-Manp-(12)-Manp-(12)-Manp-(13. 海冰细菌SM20310胞外多糖的生态学作用培养基中加入胞外多糖能明显提高菌株SM20310耐盐性。在没有胞外多糖加入的培养基中,菌株SM20310只能在盐度小于110的培养基中生长。然而,在含有0.5 mg/L的胞外多糖的培养基中,菌株能在盐度120的培养基中生长;在含有1.0 mg/L的胞外多糖的培养基中,菌株能在盐度
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