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声作为一种重要的环境因子,在自然界中广泛存在并同各类生物体发生着相互作用。目前关于声生物学效应的研究较为深入,然而在声暴露条件下,生物体如何实现从物理刺激转化为胞内的生物信号,进而诱发胞内级联效应等应激机制方面的研究却相对匮乏。本文以单细胞原核生物大肠杆菌为对象借助钙通道阻断、机械敏感性通道(Msc)失活及转录组学分析等,研究钙离子在声应激中的作用,分析Msc在机械信号传导中的功能,考察声暴露对细胞代谢网络结构及胞内能量代谢水平的影响。该研究对理解包括微生物在内的生物体对声环境的调整与适应机制具有重要意义,对声效应的合理开发和利用具有指导作用。本论文主要研究结果如下:1.以E.coli K12、E.coli Jw3252(ΔMscL)和E.coli Jw2891(ΔMscS)为材料,研究了8000Hz,80dB的声暴露条件对群体生长的影响。结果显示三株菌在声暴露条件下,稳定期的菌体密度均不同程度地高于各自对照组;其中K12生物量比对照组提高了19.64±0.18%,Jw 3252提高了8.47±0.06%,Jw 2891提高了8.35±0.14%。初步推测机械敏感性离子通道在大肠杆菌声应激中可能发挥着重要作用,且大导电性机械敏感性通道(MscL)和小导电性机械敏感性通道(MscS)的缺失均会削弱声的效应,且两类通道在声应激的过程中可能存在协同效应。2.以小机械敏感性离子通道缺失突变体2891为材料,利用大肠杆菌敲除试剂盒构建了一株双通道缺失突变菌株,并以钙通道抑制剂LaCl3对野生型E.coli K12进行处理,在相同条件下对双通道缺失菌株和LaCl3处理的K12进行了声暴露试验。结果显示双突菌株和加入LaCl3处理的K12在声暴露条件下稳定期菌体浓度较对照组低,且双通道缺失突变体大肠杆菌二次对数生长特性消失,生物量下降约5.00±0.03%,加入LaCl3的处理组下降程度达到16.50±0.13%。结果证实大肠杆菌大小机械敏感性离子通道在在物理刺激到生物响应信号的转换过程中发挥着协同效应,同时双缺失可能还造成大肠杆菌抗逆或适应环境因子变化能力的减弱;钙通道的阻滞不仅抑制了细菌的生长,还使细菌的声响应能力丧失。3.利用Fura2-AM荧光检测法,检测了野生型和突变体大肠杆菌在声暴露条件下胞内游离Ca2+的含量。结果显示,声暴露处理组胞内游离Ca2+在12h后,无论野生型还是突变组均高于对照组,且E.coli K12在0-30h胞内游离Ca2+含量明显高于机械敏感性离子通道突变体组,在36h后野生型和突变体大肠杆菌的处理组胞内游离Ca2+的下降趋势较对照组平缓。由此我们认为Msc可能是环境声波作用于细菌细胞膜上的最初受体,在完成对声应激的最初应答的同时,介导了细菌钙信号的跨膜行为,并由钙信号诱发胞内声应激反应。4.基于GO富集、KEGG分析,研究了声环境暴露对大肠杆菌代谢网络结构和能量代谢模式的影响。结果显示声暴露对细菌生长初期和稳定期基因表达的影响更为显著,在声暴露6h、12h、24h和36h,处理组较对照组而言分别有110、43、108和87个基因的表达水平被上调,有179、37、93和106个基因的表达水平被下调;进一步分析发现在声暴露初期,细胞趋化途径被大幅上调,这提升了菌体向有利环境运动的趋势;当生长进入对数期中期,声暴露显著提高了甘油磷脂代谢水平,为声应激下菌体细胞的快速分裂增殖提供充足的物质和能量保障;当声暴露持续至对数期末期,为继续实现对声暴露的应激响应,细菌对胞外产物的分泌较正常水平低,而转录翻译和核酸合成能力则高于对照组;在稳定期,为提高声暴露条件下菌体抗逆能力,实现持续增殖,处理组菌体利用芳香族化合物等复杂化合物供能的能力明显高于对照组。