嗜盐古菌及其适应机制

  嗜盐菌(Halophiles)是生活在高盐度环境中的一类古细菌。它们生长在高盐条件下，主要生长在盐湖(中国的青海湖、美国大盐湖)、死海(黎巴嫩)、盐场等浓缩海水中，以及腌鱼、盐兽皮等盐制品上。我国也从新疆和内蒙古的盐碱湖中分离出一些极端嗜盐菌。嗜盐古细菌分为一科(嗜盐菌科)六属:嗜盐杆菌属、嗜盐小盒菌属、嗜盐富饶菌属、嗜盐球菌属、嗜盐嗜碱杆菌属、嗜盐嗜碱球菌属。一般生活在10%～30%的盐液中。嗜盐菌中，有人还发现了一种呈四方形的古细菌。对嗜盐菌的盐适应机理，有如下几种观点:
1 嗜盐菌的Na+ 依存性　　
嗜盐菌要在高盐环境下生存， Na+ 对维持细胞膜、细胞壁构造和功能有特别重要的作用。
1.1 Na+ 与细胞膜成分发生特异作用而增强了膜的机械强度，有利于维持细胞膜的构造，对阻止嗜盐菌的溶菌起着重要作用。
1.2 在细胞膜的功能方面，嗜盐菌中氨基酸和糖的能动运输系统内必需有Na+ 存在，而且Na+ 作为产能的呼吸反应中一个必需因子起着作用。实验证明，对于氨基酸的吸收是间接地通过光来驱动，一种氨基酸- Na+ 泵运输系统用于运载氨基酸。
1.3 Na+ 被束缚在嗜盐菌细胞壁的外表面，起着维持细胞完整性的重要作用。嗜盐杆菌的细胞壁以糖蛋白替代传统的肽聚糖，这种糖蛋白含有高量酸性的氨基酸(如天门冬氨酸和谷氨酸)，形成负电荷区域，吸引带正电荷的Na+ ，维持细胞壁稳定性，防止细胞被裂解。“过量”的酸性氨基酸残基在蛋白表面形成负电屏蔽，促进蛋白在高盐环境中的稳定。
2 嗜盐菌中酶的盐适应特性　　
   嗜盐酶只有在高盐浓度下才具有活性，盐去除后，嗜盐酶失活，嗜盐酶在低盐浓度下(1.0mol/L的NaCl和ＫCl条件下)大多数变性失活，将盐再缓慢加回，发现可恢复酶活性。根据嗜盐酶与盐的依存关系可分为三类:第1类为不加盐时，酶活性最高，加盐就受抑制。在这类嗜盐菌中可能存在某种保护机制，通过对Ｖｉｂｒｉｏａｌｇｉｎｏｌｙｔｉｃｕｓ研究，高浓度的K+可作为保护因子对盐抑制而起着作用。第2类为不加盐时有一定活性，加盐时酶活力进一步增强，最适盐浓度低于细胞内离子浓度，过高浓度的盐会使酶活性受抑制，第3类酶为不加盐时几乎不显示活性，由于盐的作用使酶强烈的活性化。
3 嗜盐菌质膜、色素及H+泵作用　　
  嗜盐菌具有异常的膜。嗜盐菌细胞膜外有一个亚基呈六角形排列的Ｓ单层，这个所谓的‘Ｓ单层’由磺化的糖蛋白组成，由于磺酸基团的存在使Ｓ层呈负电性，因此使组成亚基的糖蛋白得到屏蔽，在高盐环境中保持稳定。
  限制通气，即低氧压或厌氧情况下光照培养，Ｈ.ｈａｌｏｂｉｕｍ产生红紫色菌体，这种菌体的细胞膜上，有紫膜膜片组织，约占全膜的50%，由25%的脂类和75%的蛋白质组成。现已发现四种不同功能的特殊的色素蛋白———视黄醛蛋白，即细胞视紫红质(ｂａｃｔｅｒｉｏｒｈｏｄｏｐｓｉｎ，ｂＲ)、氯视紫红质(Ｈａｌｏｒｈｏｄｏｐｓｉｎ，ｈＲ)、感光视紫红质Ｉ(Ｓｅｎｓｏｒｙｒｈｏｄｏｐｓｉｎ，ＳＲＩ)及感光视紫红质Ⅱ(ＳＲⅡ)，对盐生盐杆菌的ｂＲ研究最透彻，由三个ｂＲ分子构成的三聚体可在细胞膜上形成一个刚性的二维六边形的稳定特征结构，即紫膜。紫膜中含有的菌视紫素或称视紫红质，是由菌视蛋白与类胡萝卜素类的色素以1∶1结合组成的。嗜盐菌的菌视紫素可强烈吸收570ｎｍ处的绿色光谱区，菌视紫素的视觉色基(发色团)通常以一种全—反式(ａｌｌｔｒａｎｓ)结构存在于膜内侧，它可被激发并随着光吸收暂时转换成顺式状态，这种转型作用的结果使H+质子经转移到膜的外面，随着菌视紫素分子的松弛和黑暗时吸收细胞质中的质子，顺式状态又转换成更为稳定的全—反式异构体，再次的光吸收又被激发，转移H+，如此循环，形成质膜上的H+质子梯度差，即H+泵，产生电化势，菌体利用这种电化势在ATP酶的催化下，进行ATP的合成，为菌体贮备生命活动所需要的能量。

[NextPage]4 排盐作用　　
   嗜盐菌的生长虽然需要高钠的环境，细胞内的Na+ 浓度并不高，因为它们由光介导的H+质子泵具有Na+ /K+反向转运功能，即具有吸收和浓缩K+和向胞外排放Na+ 的能力。嗜盐古菌是采用细胞内积累高浓度K+来对抗胞外的高渗环境。嗜盐甲烷菌是在胞内积累大量的小分子极性物质如甘油、单糖、氨基酸及它们的衍生物，这些小分子极性物质在嗜盐、耐盐菌的胞内构成渗透调节物质，帮助细胞从高盐环境中获取水分，而且这些物质在细胞内能够被迅速地合成和降解，这对环境的改变有较强的适应能力。
5 嗜盐细胞内溶质浓度的调节　　
    因为水往往是从高溶质浓度的地方流向较低溶质浓度的地方，所以悬浮在高盐溶液中的细胞将失去水分，并成为脱水细胞，除非它的细胞质内含有比其环境更高的盐(或一些其它溶质)。嗜盐微生物由于产生大量的内溶质或保留从外部取得的溶质而得以在高盐环境中生存。氨基酸在嗜盐细胞内溶质浓度调节中起着重要作用。随培养基食盐的增加，氨基酸浓度有规律的增加，其中主要是谷氨酸和脯氨酸，及甘氨酸，它们具有渗透保护作用，是溶质浓度调节的重要因子。研究表明，革兰氏阴性菌在高盐条件下，主要积累谷氨酸，以抵抗外界的高渗透压，同时积累K+以中和谷氨酸所带的负电荷；革兰氏阳性菌则主要积累脯氨酸和γ-氨基丁酸，K+变化不明显。嗜盐菌的细胞质蛋白特异地含有许多低分子量的亲水性氨基，这样，在高离子浓度的胞内环境中，细胞质可呈现溶液状态，而疏水性氨基酸过多则会趋向成簇，从而使细胞质失去活性。如嗜盐真核生物、嗜盐真细菌和嗜盐甲烷菌在胞内积累大量的小分子极性物质，如甘油、单糖、氨基酸及它们的衍生物，它们在胞内能够被迅速地合成和降解构成渗透调节物质，帮助细胞从高盐环境中获取水分。
6 嗜盐菌具有特殊产能系统
    它们可通过两条途径获取能量，一条是有氧存在下的氧化磷酸化途径，另一条是有光存在下的某种光合磷酸化途径。实验发现，在波长为550—600nn:的光照下.其ATP合成速率最高，而这一波长范围恰与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。
7　耐盐基因片段　　
    八十年代以来，细菌耐盐机制的研究日益深入，以大肠杆菌和其它遗传背景较清楚的肠道细菌为材料进行的工作，使细菌渗透调节机理推进到分子水平。已相继分离和鉴定了与渗透保护物合成途径有关的结构基因，如ｐｒｏＡＢＣ和ｂｅｔ基因，以及转录表达受到渗透压调控的一些操纵子，如ｋｄｐ操纵子，ｐｒｏ和ｏｐｕ系统以及作为全细胞调节因素的ｏｍｐＲ系统，并且进行了有关耐盐基因的分离和转移研究。1990年，Ｊａｖｅｄ从巴基斯坦的盐碱地中生长的卡拉草根部分离得到一株克雷伯氏菌(ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａｓｐ.)发现其唯一的内源质粒(约50ｋｂ)与耐盐有关。ＨａｓNaｉｎＳ等从耐盐菌质粒中挑选两个质粒(ｐＳＨ1418和ｐＳＨ1451)研究，发现ｐＳＨ1451有编码复制区功能，且可加到低拷贝数Ｉｎｃｐ载体上，在大肠杆菌中已克隆的质粒ｐＳＨ1418和ｐＳＨ1451具有耐盐特性，但表型是不稳定，质粒ｐＳＨ1451序列中有许多能编码耐盐的阅读框(ｏｒｆｓ)，其中ｏｒｆ4和ｏｒｆ5片段可以一起作用转录一个分子如促进耐渗透性的天门冬氨酸。有关嗜盐菌遗传学方面的研究国外已有大量报道，但由于这类菌难以得到合适的选择标记，突变株不稳定等特性，进展缓慢，目前在嗜盐菌中发现了质粒，但这些质粒的分子量较大，拷贝数低，缺乏便于克隆外源ＤNA的单一酶切位点，而不能用作载体。