遗传改造Citrobacter sp. XT1-2-2的cysH/cysJ基因通过调控硫代谢通路增强镉固定作用

本研究通过基因编辑技术过表达Citrobacter sp. XT1-2-2的cysH/cysJ基因，显著提升腺苷-5'-磷酸硫酸还原酶(APS)和亚硫酸盐还原酶(SiR)活性，促进H2S生成和CdS纳米颗粒生物合成，使稻米镉含量降低62.56%（P<0.01），为微生物介导的硫代谢通路调控镉污染修复提供新策略。

　　

研究背景

镉污染已成为中国耕地最突出的环境问题之一，19.4%的农田土壤超过污染标准限值。传统物理化学修复方法会破坏土壤生态平衡，而微生物修复技术因其环境友好特性备受关注。Citrobacter sp. XT1-2-2是从镉污染土壤中分离的革兰氏阴性菌，前期研究表明其可通过生物吸附和生物沉淀作用固定镉，但相关分子机制尚不明确。

基因工程改造

研究团队聚焦硫酸盐同化途径中的两个关键基因：编码APS还原酶的cysH和编码SiR还原酶的cysJ。通过红霉素启动子(PermE)调控，成功构建了cysH过表达菌株XT1-2-2-::APS和cysJ过表达菌株XT1-2-2-::SiR。电镜观察显示，改造菌株在含100 mg/L Cd²⁺条件下，细胞内黑色颗粒（CdS）密度显著高于野生型，表明基因过表达改变了CdS的形成位点。

代谢通路强化机制

酶活检测显示：

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  XT1-2-2-::APS的APS还原酶活性提升56.65%

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  XT1-2-2-::SiR的SiR还原酶活性激增326.55%

这种增强导致H₂S产量增加，促进Cd²⁺转化为难溶性CdS。FT-IR分析发现，改造菌株表面羧基(-COOH)、巯基(-SH)等官能团振动峰发生位移，XPS在411.88 eV处检测到更强的Cd_3d特征峰，p-XRD证实(101)、(110)、(112)晶面衍射峰增强，共同验证了CdS晶体结构的优化。

微观修复效应

72小时培养实验显示：

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  XT1-2-2-::APS细胞内Cd²⁺占比升至50.2%

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  XT1-2-2-::SiR对溶液中Cd²⁺去除率达65.08%

生物膜形成实验表明，cysH过表达使菌体聚集度提高43.05%，这可能与胞外聚合物(EPS)分泌增加有关。

田间应用验证

微宇宙实验中，接种改造菌株的土壤出现显著变化：

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  可交换态镉(SE)降低10.71%

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  残渣态(RES)镉增加36.36%

水稻各组织镉积累量呈现梯度下降：

组织	XT1-2-2-::APS降幅	XT1-2-2-::SiR降幅
籽粒	36.49%	62.56%
叶片	30.52%	42.54%

叶片抗氧化酶(SOD、GSH等)活性同步下降，表明植株氧化应激压力减轻。

技术突破与展望

该研究首次揭示cysH/cysJ协同调控微生物硫代谢-镉固定的分子机制，创新性地通过启动子工程优化代谢通量。未来需开展：

1. 1.

   多基因共表达体系构建

2. 2.

   田间生态风险监测（如H₂S扩散对土著微生物的影响）

3. 3.

   纳米CdS的植物转运机制解析

这项研究为发展"微生物-植物"联合修复技术提供了理论依据和工程菌种资源，对保障粮食安全具有重要意义。