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假单胞菌研究现状及应用前景



全 文 :综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011年第 1期
假单胞菌研究现状及应用前景
杨光富  魏云林
(昆明理工大学生物工程技术研究中心,昆明 650224 )
  摘  要:  假单胞菌是自然界分布最广的微生物之一, 广泛的分布必然面对多样的生境, 多样的生境造就了假单胞菌丰
富的遗传多样性, 此遗传多样性不仅为假单胞菌的环境适应性奠定了物质基础,也为人类提供了宝贵的遗传资源,具有巨大
的理论和应用价值。从环境的生物修复、生物防治、生物转化、铜绿假单胞菌的耐药机制等 4个方面总结假单胞菌的国内外研
究现状, 并对假单胞菌的应用前景进行展望。
关键词:  假单胞菌  生物修复  生物防治  生物转化  耐药机制
The Research Status and Application Prospect ofPseudomonas
Yang Guang fu W e iYunlin
(R esearch Center of BiologicalEngineering, Kunm ing University of Science and T echno logy, K unm ing 650224)
  Abstrac:t  P seudom onas is one of them ostw idely d istributed m icroorgan ism s in na ture. W ide distribution could encounter divers i
form hab itats, which br ingP seudomonas d iversifo rm genetic charac teristics. These characteristics are va luab le for theo ry and applica tion
research. Th is rev iew summ arized the research status and applica tion pro spect o fPseudomonas from the fo llow ing four aspects, includ ing
b iorem ediation, b iocontro,l b ioconve rsion and the resistancem echanism ofP edudom onas aeruginosa.
Key words:  P seudomonas B io remed iation B iocon tro l B ioconversion Resistance m echan ism
收稿日期: 20100728
基金项目:国家自然科学基金项目 ( 30960079) ,云南省自然科学基金项目 ( 2007C186M )
作者简介:杨光富,男,硕士研究生,研究方向:低温微生物; Em ai:l g. .f yang@ 163. com
通讯作者:魏云林,男,教授,主要从事微生物方面的研究; Em ai:l w eiyun lin@ yahoo. com. cn
假单胞菌属是微生物的重要类群,也是分布最
广的微生物之一。多样的生境不仅造就了假单胞菌
拥有较广的生长温度、pH值范围, 较多的营养代谢
类型,同时也为人类提供了多样的遗传资源。随着
人类对假单胞菌研究的不断深入, 假单胞菌在环境
生物修复、生物防治、生物转化等领域逐步体现出越
来越重要的作用,同时假单胞菌属中的铜绿假单胞
菌作为常见的条件致病菌之一,其耐药机制的研究
不仅对控制铜绿假单胞菌有益,对其他病原菌的理
解也具有重大的理论价值。
1 假单胞菌简介
假单胞菌属隶属于假单胞菌科, 其模式种为铜
绿假单胞菌 (P seudomonas aerug inosa )。Anzia等 [ 1]
据 16S rRNA序列将假单胞菌属分为两大类。第一
类有 6个组,包括丁香假单胞菌 (P seudomonas syrin
gae) ( 12个种 ) ,绿针假单胞菌 ( P seudomonas chloro
raphis) ( 5个种 ) , 荧光假单胞菌 (P seodomonas f luo
rescens) ( 18个种 ), 恶臭假单胞菌 (P seudomonas puti
da ) ( 6个种 ) ,铜绿假单胞菌 (P seudomonas aerugino
sa) ( 11个种 ) ,施氏假单胞菌 (P seudomonas stu tzeri )
( 3个种 ) ; 第二大类有一个组, 即穿孔假单胞菌
(P seudomonas pertucinogena) ( 2个种 )。
假单胞菌广泛分布于土壤、淡水、海水以及生物
体中。革兰氏阴性菌,细胞单个, 多为直的或弯的杆
菌, 大小为 ( 0. 5- 1) m  ( 1. 4- 4) m, 单鞭毛或
多鞭毛,不产生鞘或突起物。生长温度范围较广,可
在 4- 43 生长,大多数菌的最适温度在 30 左右。
生长的 pH范围在 pH7. 0- 8. 5,大多数不能在 pH6
或 6以下生长 [ 2]。
2 假单胞菌与环境生物修复
环境生物修复就是利用生物对环境中的有毒、
有害物质进行降解。与传统的物理化学方法相比,
生物技术通报 B iotechnology  Bulletin 2011年第 1期
环境生物修复具有投资小、环境友好、无二次污染、
易于为公众接受等优点,越来越受到全世界的认同。
在环境生物修复领域, E. coli、B. subtilis等模式菌株
因野外环境的温度、pH波动较大等原因无法在野外
大规模使用, 而假单胞菌是自然界的土著微生物
(尤其是在土壤中 ) , 其生长温度、pH 值变化范围较
大,营养代谢类型多样,人类的研究也较其他绝大多
数自然界土著微生物深入, 在该领域具有较大的优
势。世界各国研究者对假单胞菌在环境的生物修复
方面进行了广泛的研究, 大体可分为有机物污染和
重金属污染的生物修复两大类。
假单胞菌属中如下种尤其适合于有机物污染的
环境生物修复,即 P. alcaligenes(多环芳香族烃 ) [ 3 ]、
P. mendocina (甲苯 ) [ 4]、P. p seudoalcalig enes (氰化
物 ) [ 5]、P. resinovorans(咔唑 ) [ 6 ]、P. veronii(简单芳香
族化合物 ) [ 7]、P. pu tida (有机溶剂 ) [ 8]及 P. stu tzeri
(氯化烃 ) [ 9]。研究发现,假单胞菌降解有机污染物
质的基因多数是在质粒上, 降解性质粒的存在为降
解工程菌的构建提供了可能 [ 10]。
随着工业的发展, 重金属污染日益引起人们的
关注。就目前所知, 假单胞菌对重金属污染环境的
生物修复机理包括以下几点: ( 1)通过表面吸附、胞
内沉淀以及成矿作用来降低重金属离子的沉淀性;
( 2)通过氧化还原反应改变重金属离子的价态而减
弱或消除重金属离子的毒性; ( 3)分泌一些与重金
属离子紧密结合的蛋白,而且形成的重金属离子 蛋
白质复合体不易为动植物吸收,限制了重金属离子
在食物链中的流动。目前, 国内外用假单胞菌对重
金属污染进行环境生物修复主要是利用假单胞菌的
某些种对重金属有抗性并可将其在体内富集的特
性。如韩国的 Oh等 [ 11]对施氏假单胞菌 (P. stutzeri)
冻干细胞对 Pb2+、Cd2+和 Cu2 +生物吸附的研究,刘
爱民等 [ 12]对耐 Cd2 +假单胞菌吸附 Cd2+的研究等。
3 假单胞菌与生物防治
非致病假单胞菌活跃于植物根际,属于植物根
际促生菌 ( plant g row thpromoting rhizobacteria, PG
PR )一类,是最主要的 PGPR之一, 植物根际假单胞
菌已被应用在谷物种子或土壤中以抑制谷物病原菌
的生长 [ 13]。非致病假单胞菌生物防治作用的机理
主要包括根际营养竞争 (尤其是对铁元素的竞争 )、
分泌降解微生物的酶及抗生作用等。最近国内学
者还发现类假单胞菌 ( P seudom onas p seodoalcali
genes )的某些蛋白还具有杀虫作用, 有望开发为农
药使用 [ 14]。
嗜铁素是一种能与高铁离子特异性结合的化合
物, 如假单胞菌素、水杨酸等。病原菌本身不能产生
或仅能产生极少量嗜铁素, 而假单胞菌自身能产生
嗜铁素并且不能被病原微生物所利用,这样病原微
生物便由于缺铁而不能生长。如许煜泉等 [ 15]发现
假单胞菌 JKD2能分泌铁载体以抑制稻瘟病菌
(P iricularia orzae )的生长。微生物分泌酶对物质的
降解既可供给植物营养, 又有助于减少植物病害的
发生。W ang等 [ 16 ]报道, P seudomonas aeruginosa K
187产生的几丁质酶和溶菌酶能抑制 36株真菌的
生长。在抗生作用方面, 已经取得了一些喜人的进
展。吩嗪酸 ( PCA )和 2, 4 -二乙酰藤黄酚 ( Ph1)为
荧光假单胞菌产生的最典型的两种抗生素, 二者对
防治由小麦全蚀菌 Gg t ( Gaeamuuomyces gram iais
var. tritici)引起的小麦全蚀病有重要作用 [ 17]。
目前, P. f luorescens、P. putida和 P. chlororaphis
中的一些可用作植物根际生物防治的微生物菌株已
可以通过商业途径获取,这些细菌可以以干粉、细胞
悬液或种子涂层的形式使用 [ 18 ]。
4 假单胞菌与生物转化
低温有助于蛋白质的正确折叠 [ 19] , 假单胞菌有
很大一部分属于耐冷菌, 用其作为宿主可生产一些
用 E. co li等中温菌宿主表达不甚理想的蛋白质。同
时, 假单胞菌的营养类型多样,利用其多样的代谢途
径可以为人类生产某些其他菌株无法生产的物质。
另外,人们对假单胞菌的研究也较为深入,故假单胞
菌在工业应用领域潜力巨大。假单胞菌在生物转化
领域的研究可分为两个大的方面, 一是以假单胞菌
细胞体进行生物转化,二是用假单胞菌产生的酶进
行生物转化。
假单胞菌全细胞进行生物转化主要用于一些化
学物质、药物和农用化合物中间体的大批量工业合
成。假单胞菌全细胞转化的应用范围比较狭窄, 典
型的例子较少,这主要是由于全细胞生物转化有菌
株不稳定、产率低等原因 [ 20] , 但是当用酶转化需要
很昂贵的辅酶或者转化需要多步反应时,全细胞生
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2011年第 1期      杨光富等:假单胞菌研究现状及应用前景
物转化不失为一个很好的选择。
用假单胞菌的酶进行生物转化的研究较全细胞
转化研究广泛和深入, 常见的用于生物转化的假单
胞菌的酶有: Am inopept idase ( DSM, The Nether
lands)、A ry l alcoho l dehydrogenase ( P f izer, USA )、A s
partate decarboxylase(T anabe Se iyaku, Japan)、Ben
zaldehyde dehydrogenase( P fizer, USA )、Benzoate d iox
ygenase ( IC I, UK )、Carbamoy lase ( Dr. V ig M ed ica
ments, Ind ia)、Dehalogenase( A stra Zeneca, UK )、G lu
tary l am idase( Asah iKase i Chem ica l Industry, Japan)、
Ha loa lkane dehydrogenase ( Da iso, Japan )、H ydanto in
ase( D r. V ig M ed icaments, India)、Lipase( B risto lM y
ers Squ ibb, USA; Pfizer, U SA )、Malease ( DSM, The
N etherlands)、Monooxygenases ( P fizer, USA; Lonza,
Sw itzerland)、N itrile hydratase( DuPon,t USA )和 Ox i
dase( DSM, TheN etherlands)。
5 铜绿假单胞菌的耐药机制研究
铜绿假单胞菌常引起菌血症、肺炎、泌尿系统感
染、烧伤感染和囊性纤维化继发感染等疾病,由于其
耐药菌株不断产生,耐药性不断变化,已成为医院内
获得性感染最严重的条件致病菌之一。铜绿假单胞
菌耐药机制的研究,对监控医院内感染菌群、检测其
耐药性、指导抗生素的合理利用极为重要。同时,由
于铜绿假单胞菌分布广泛, 可以推知其耐药机制在
其他病原菌中也极可能广泛存在, 对铜绿假单胞菌
耐药机制的研究对其他许多病原菌的控制也具有指
导意义。
铜绿假单胞菌的耐药机理主要有 4种, 一是产
生抗生素灭活酶或抗生素修饰酶; 二是改变抗菌
药物的作用靶位, 逃避抗菌药物的抗菌作用; 三是
膜屏蔽与主动外排,限制药物到达作用靶位;四是形
成生物膜。目前国内外的研究多集中在这 4个方
面。如 Ho ffman等 [ 21]对致病性铜绿假单胞菌改变
营养物质的获得性而获得新的耐药机制的研究,王
强等 [ 22]对铜绿假单胞菌的生物膜耐药机制进行了
研究等。
研究铜绿假单胞菌的耐药机制是为了控制致病
性铜绿假单胞菌,目前,这方面的研究也正在进行之
中。如胡琼洁等 [ 23]对 防卫素 2( BD2)的研究,
Sr inivas等 [ 24]合成模拟多肽类抗生素杀灭铜绿假单
胞菌的研究等。
6 结语
假单胞菌分布广泛,其遗传多样性异常丰富,这
一特性决定了假单胞菌有为人类解决诸多问题的巨
大潜力。目前,对假单胞菌的研究多集中在假单胞
菌的环境生物修复、生物防治、生物转化以及对致病
性铜绿假单胞菌的耐药机制这 4个方面,关于假单
胞菌还有诸多问题有待解决和探索。
参 考 文 献
[ 1] An zaiY, K im H, Park JY, et a.l Phy logenet ic affil iation of th e pseud
omonads b ased on 16S rRNA sequen ce. International Jou rn al of Sys
tem at ic and Evo lut ionary M icrob iology, 2000, 18: 15631589.
[ 2] 布坎南 RE,吉本斯 NE.中国科学院微生物研究所译.伯杰细菌
鉴定手册 (第 8版 ) [M ].北京:科学出版社, 1984: 287.
[ 3 ] We issenfelsWD, BeyerM, K lein J. D egradation of phenanthren e, flu
orin e and fluoranthene by pure bacterial cu ltu res. Appl M icrob io l
B iotechno,l 1990, 32: 479484.
[ 4] S toffelsM, Amann R, Ludw ig W, et a.l AT B acterial commun ity dy
nam ics du ring startup of a tricklebed b ioreactor degrad ing arom atic
com pounds. Appl Env ironM icrob io,l 1998, 64: 930939.
[ 5] Hu ertasM J, LuqueA lm agro VM, M artin ezLuque M, et a.l Cyanide
m etabolism of P seudom onas pseudoa lca lig en es CEC: T5344: role of
sid erophores. B ioch em Soc Trans, 2006, 34: 152155.
[ 6] W idada J, NojiriH, Yosh ida T, et a.l Enhan ced degradation of car
bazole and 2, 3d ichlorod iben zopd ioxin in soils by P seud om onas
resinovorans stra in CA10. Chem osphere, 2002, 49: 485491.
[ 7] H ong H B, Nam IH, M urugesan K, et a.l B iod egradation of dibenzop
d ioxin, d ib enzofuran, and ch lorod ibenzopd ioxin s by P seud om onas
veron ii PH03. B iodegradat ion, 2004, 15: 303313.
[ 8] Sh im H, Y ang ST. B iodegradat ion of benzen e, tolu ene, ethylben zene,
and oxylene by a cocu ltu re ofP seud om onas pu tida andP seud om onas
f luorescens imm ob ilized in a fib rousbed b ioreactor. J B iotechn o,l
1999, 67: 99112.
[ 9] Lew isTA, Paszczynsk iA, GordonWy lie SW, et a.l Carbon tetrachlo
ride dech lorin at ion by th e bacterial trans it ionm etal chelator pyrid ine
2, 6b is ( th iocarboxy lic acid ) . En viron Sci Techno,l 2001, 35:
552559.
[ 10] Reinek eW. Developm en t of hyb rid s trains for the m ineralizat ion of
ch loroarom at ics by patchw ork assemb ly. Annu Rev M icrob io,l
1998, 52: 287331.
[ 11] Oh SE, H assan SHA, Joo JH. B iosorpt ion of heavym etalsby lyoph i
lized ofP seudomona s stu tzeri. W orld Journ al ofM icrobology & B io
techology, 2009, 25 ( 10) : 17711778.
(下转第 49页 )
39
2011年第 1期      李光雷等:表观遗传学研究进展
M amm G enom e, 2009, 20 ( 910 ) : 544556.
[ 7] Sad ikovic B, A lRom a ihK, Squ ire JA, et a.l Cau se and con sequ ences
of genet ic and ep igenet ic alterat ion s in hum an cancer. Curren t Ge
nom ics, 2008, 9( 6 ): 394408.
[ 8] PetersonCL, Lan ielMA. H istones and h is ton em od ifications. Cu rr B i
o,l 2004, 14( 14 ): 54655.
[ 9] M accan iMA, M arsit C J. Ep igenetics in the P lacen ta. Am J R eprod
Imm un o,l 2009, 62 ( 2) : 7889.
[ 10 ] 苏玉,王溪,朱卫国. DNA甲基转移酶的表达调控及主要生物
学功能.遗传, 2009( 11) : 2531.
[ 11 ] 于红.表观遗传学:生物细胞非编码 RNA调控的研究进展.遗
传, 2009, 31( 11 ) : 10771086.
[ 12 ] 董玉玮,侯进慧,朱必才,等.表观遗传学的相关概念和研究进
展.生物学杂志, 2005, 22( 1 ) : 13.
[ 13 ] 南娟,丁燕,孙丹.表观遗传学如何诠释人肿瘤转移 m icroRNA
的新作用.中国肺癌杂志, 2009, 12( 8 ): 907914.
[ 14 ] 郑咏秋,李欣志,刘建勋.心血管疾病表观遗传机制研究. 国际
心血管病杂志, 2008, 35( 2 ) : 108111.
[ 15 ] C rew s D, M cLach lan JA. Ep igenetics, evo lut ion, endocrine d isrup
t ion, h ealth and d isease. Endocrinology, 2006, 147 ( 6) ( Supp.l ) :
S4S10.
[ 16 ] Jiang Y, Lang ley B, Lub in FD, et a.l Ep igenetics in the nervous system.
The Journ al ofN euroscien ce, 2008, 28 ( 46) : 1175311759, 1175.
[ 17] C alvanese V, Lara E, K ahnA, et a.l The role of ep igenetics in aging
and agerelated d iseases. Ageing Research R eview s, 2009, 8 ( 4 ):
268276.
[ 18] S trick land FM, R ichardson BC. E pigen et ics in hum an autoimmun i
ty. Au to imm un ity, 2008, 41( 4 ): 278286.
[ 19] Lopez J, PerchardeM, ColeyHM, et a.l The con text and potent ial of ep
igenetics in on cology. British Journal ofC ancer, 2009, 100: 571577.
[ 20] TsankovaN, RenthalW, Kum ar A, et a.l Ep igenetic regu lation in psy
chiatr ic d isord ers. Natu re Review N euroscience, 2007, 8: 355365.
[ 21] H eard E. Recen t advances in Xchromosom e inactivation. Cu rrent
Opinion in C ell B iology, 2004, 16( 3 ) : 247255.
[ 22] K arpisk i P, S as iadek MM, B l in N. Ab erran t ep igen et ic pat terns in
th e et iology of gastroin testinal can cers. JApp lG enet, 2008, 49( 1 ):
110.
[ 23] Levenson JM, Sw eatt JD. E pigen et ic m echan ism s in m em ory form a
tion. Nature Rev N eurosc,i 2005, 6: 108118.
[ 24] 吴乃虎,张方,黄美娟.基因工程术语 [M ] .北京:科学技术出版
社, 2005.
(责任编辑  马鑫 )
(上接第 39页 )
[ 12 ] 刘爱民,黄为一.耐 Cd2+假单胞菌富集 C d2+的研究. 环境污染
与防治, 2009, 31( 8) : 2027.
[ 13] H aas D, Defago G. B iolog ical contro lof so ilborn e path ogens by f luo
rescen t p seudom on ads. Nat RevM icrob io,l 2005, 3: 307319.
[ 14 ] 张文,杨志荣.类产碱假单胞菌杀虫物质的分离纯化和鉴定.微
生物学报, 1998, 38( 1 ) : 5762.
[ 15 ] 许煜泉,高虹.假单胞菌株 JKD2分泌铁载体抑制稻瘟病菌.微
生物学通报, 1999, 26( 3 ) : 180183.
[ 16 ] W ang SL, Y ieh TC, Sh ih IL. Production of an tifungal com pounds by
P seud omona s aeruginosa K187 u sing sh rim p and crab pow der as a
carbon sourse. E naym e and M icrob ial Techn ology, 1999, 25 ( 1 ):
142148.
[ 17 ] Stacey G, Keen K. P lantM icrob e Interact ions 1 [M ] . N ew York:
C hapm an andH al,l 1995: 187235.
[ 18 ] Sch isler DA, S lininger RJ, B ehle RW, et a.l Form u lation ofB acillus
spp. for b iolog ical con trol of p lant diseases. Phytopathology, 2004,
94: 12671271.
[ 19 ] Georg iou G, Valax P. Expression of correct ly fold ed protein s inE sch
erichia coli. Cu rr Op in B iotechno,l 1996, 7: 190197.
[ 20] Schoem aker HE, M ink D, W ubboltsMG. D ispell ing th em yth sb ioca
talys is in indu strial synthes is. Science, 2003, 299: 16941697.
[ 21 ] Hoffm an LR, R ichardson AR, H ouston LS, et a.l Nutrient availab ility
as am echan ism for selection of an tib iotic tolerantP seudom ona s aerug i
nosa w ith in the CF airw ay. P los Pathogens, 2010, 6( 1): e1000712.
[ 22 ] 王强,蒋捍东,柴杰.生物膜铜绿假单胞菌耐药机制.国际呼吸
杂志, 2007, 27( 14 ) : 10901093.
[ 23 ] Hu QJ, Zuo P, Shao B, et a.l Adm in istration of nonviral gene vector en
cod ing rat betadefensin2 am eliorates ch ron ic P seudom onas aerug i
nosa lung infect ion in rats. JGene Med, 2010, 12( 3 ): 276286.
[ 24 ] Srin ivasN, Jetter P, U eberbacher BJ, et a.l Pep tid em im etic an tib iot
ics target outerm em brane b iogenesis in P seudom onas a erug inosa.
Science, 2010, 327( 5968) : 10101013.
(责任编辑  李楠 )
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