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微生物在砷的生物地球化学循环过程中起着关键性的作用。地球上的生命是在富含砷的环境中逐渐演化而来的，在这一过程中，微生物除了进化出各种抗性机制来适应有毒砷环境外，还进化出可以利用砷作为能源物质的代谢机制。研究微生物的砷抗性和砷代谢机制对全面了解砷的生物地球化学循环具有重要的意义，同时可为砷污染土壤的修复提供一定的理论依据。因此，本研究以福建龙岩紫金山金铜矿矿区土壤中分离筛选出的一株具有高砷抗性的类芽孢杆菌NC1(Paenibacillus taichungensisNC1)为研究对象，通过生理生化表征，并结合基因组和转录组分析手段，拟在分子生物学层面阐明菌株NC1的砷抗性机制。获得主要结果如下：
1.从福建龙岩紫金山矿区土壤中共筛选出14株具有高砷抗性的菌株，其中因菌株NC1在无机盐基础培养基中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的最小抑菌浓度为10mM和125mM，在分离菌株中表现出最高的砷抗性，故被作为后续研究对象；
2.通过多项分类学鉴定，发现菌株NC1为革兰氏可变菌，兼性厌氧且具有运动性，但扫描电镜结果显示无鞭毛；最适生长温度为28±1℃，最适生长pH为6-8，在TY培养基中的最大NaCl耐受浓度为6%(w/v)。此外，菌株NC1还对链霉素具有一定的耐受性，并且能利用葡萄糖、D-甘露糖、甘油、蔗糖、麦芽糖等多种碳源和硫酸铵、氯化铵、L-亮氨酸等多种氮源进行生长；
3.结合生理生化分析和16S rRNA系统发育树分析，将菌株NC1的分类学地位确定为Paenibacillus taichungensis的同种不同株；
4.通过基因组测序及拼接，获得了菌株Paenibacillus taichungensisNC1的基因组草图，结果显示，菌株NC1的基因组大小为6,990,915bp，含有6126个蛋白质编码基因。基因功能注释及分析结果显示，在菌株NC1中，砷抗性基因arsR1、arsB1和arsC1成簇构成了一个典型的砷抗性操纵子(arsRBC)，随后的转录组分析和RT-qPCR实验结果显示，在As(Ⅲ)胁迫下时，菌株NC1中的砷抗性操纵子arsRBC上的基因表达量均显著上调。此外，位于砷抗性操纵子arsRBC上游且相邻的基因marR和gltS在As(Ⅲ)胁迫下时，表达量显著上调，而在Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)胁迫下时，表达量基本无变化。其中，marR基因编码的MarR蛋白属于多重耐药转录调节因子家族(MarR family)，该家族的转录调控蛋白参与调控细胞内多种生物过程，包括对环境变化的适应、控制毒力因子的产生、芳香化合物的分解代谢以及对抗生素和氧化应激的响应。gltS基因编码谷氨酸合成酶(GltS)，该酶属于FAD依赖性氧化还原酶家族，其包含对氧敏感的铁硫簇[Fe-S]辅酶因子。结合以上实验结果，我们认为，菌株NC1的砷抗性是由arsRBC介导的，主要通过As(Ⅴ)的还原和As(Ⅲ)的外排来实现，而marR和gltS基因编码的产物可能通过某种未知的机制参与感应和赋予对As(Ⅲ)或其他有机砷化合物的抗性；
5.除了arsRBC等砷抗性基因外，菌株NC1中还含有ahpC、sodA、cat和gpx等与活性氧解毒相关的基因，分别编码过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化剂。通过转录组分析发现，在As(Ⅲ)胁迫下时，基因ahpC、sodA2、cat2和gpx1的表达量显著性上调。但是，也有一些抗氧化相关的基因表达量无显著变化，如gpx2、gpx3、gpx4、sodA1、cat1、cat3和cat4。此外，RT-qPCR实验结果显示，在Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)胁迫下时，基因sodA2和cat2的表达量上调，而基因gpx1的表达量下调。所以，菌株NC1在面对As(Ⅲ)胁迫时，细胞内除了产生超氧化物和过氧化氢等其他重金属胁迫下也会产生的活性氧物质以外，还可能产生过氧化脂质。因此，我们认为，菌株NC1是通过增加细胞内超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化剂的合成来应对As(Ⅲ)胁迫下细胞内的氧化应激反应，从而减少细胞的氧化损伤。其中，谷胱甘肽过氧化物酶可以抑制细胞膜的脂质过氧化；
综上所述，菌株NC1的砷抗性机制为：⑴砷操纵子arsRBC介导的As(Ⅴ)的还原和As(Ⅲ)的外排；⑵marR和gltS基因通过未知机制对As(Ⅲ)以及可能的有机砷化合物进行解毒;⑶通过增加抗氧化酶的合成，来减少砷胁迫带来的氧化损伤。
1.从福建龙岩紫金山矿区土壤中共筛选出14株具有高砷抗性的菌株，其中因菌株NC1在无机盐基础培养基中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的最小抑菌浓度为10mM和125mM，在分离菌株中表现出最高的砷抗性，故被作为后续研究对象；
2.通过多项分类学鉴定，发现菌株NC1为革兰氏可变菌，兼性厌氧且具有运动性，但扫描电镜结果显示无鞭毛；最适生长温度为28±1℃，最适生长pH为6-8，在TY培养基中的最大NaCl耐受浓度为6%(w/v)。此外，菌株NC1还对链霉素具有一定的耐受性，并且能利用葡萄糖、D-甘露糖、甘油、蔗糖、麦芽糖等多种碳源和硫酸铵、氯化铵、L-亮氨酸等多种氮源进行生长；
3.结合生理生化分析和16S rRNA系统发育树分析，将菌株NC1的分类学地位确定为Paenibacillus taichungensis的同种不同株；
4.通过基因组测序及拼接，获得了菌株Paenibacillus taichungensisNC1的基因组草图，结果显示，菌株NC1的基因组大小为6,990,915bp，含有6126个蛋白质编码基因。基因功能注释及分析结果显示，在菌株NC1中，砷抗性基因arsR1、arsB1和arsC1成簇构成了一个典型的砷抗性操纵子(arsRBC)，随后的转录组分析和RT-qPCR实验结果显示，在As(Ⅲ)胁迫下时，菌株NC1中的砷抗性操纵子arsRBC上的基因表达量均显著上调。此外，位于砷抗性操纵子arsRBC上游且相邻的基因marR和gltS在As(Ⅲ)胁迫下时，表达量显著上调，而在Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)胁迫下时，表达量基本无变化。其中，marR基因编码的MarR蛋白属于多重耐药转录调节因子家族(MarR family)，该家族的转录调控蛋白参与调控细胞内多种生物过程，包括对环境变化的适应、控制毒力因子的产生、芳香化合物的分解代谢以及对抗生素和氧化应激的响应。gltS基因编码谷氨酸合成酶(GltS)，该酶属于FAD依赖性氧化还原酶家族，其包含对氧敏感的铁硫簇[Fe-S]辅酶因子。结合以上实验结果，我们认为，菌株NC1的砷抗性是由arsRBC介导的，主要通过As(Ⅴ)的还原和As(Ⅲ)的外排来实现，而marR和gltS基因编码的产物可能通过某种未知的机制参与感应和赋予对As(Ⅲ)或其他有机砷化合物的抗性；
5.除了arsRBC等砷抗性基因外，菌株NC1中还含有ahpC、sodA、cat和gpx等与活性氧解毒相关的基因，分别编码过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化剂。通过转录组分析发现，在As(Ⅲ)胁迫下时，基因ahpC、sodA2、cat2和gpx1的表达量显著性上调。但是，也有一些抗氧化相关的基因表达量无显著变化，如gpx2、gpx3、gpx4、sodA1、cat1、cat3和cat4。此外，RT-qPCR实验结果显示，在Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)胁迫下时，基因sodA2和cat2的表达量上调，而基因gpx1的表达量下调。所以，菌株NC1在面对As(Ⅲ)胁迫时，细胞内除了产生超氧化物和过氧化氢等其他重金属胁迫下也会产生的活性氧物质以外，还可能产生过氧化脂质。因此，我们认为，菌株NC1是通过增加细胞内超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化剂的合成来应对As(Ⅲ)胁迫下细胞内的氧化应激反应，从而减少细胞的氧化损伤。其中，谷胱甘肽过氧化物酶可以抑制细胞膜的脂质过氧化；
综上所述，菌株NC1的砷抗性机制为：⑴砷操纵子arsRBC介导的As(Ⅴ)的还原和As(Ⅲ)的外排；⑵marR和gltS基因通过未知机制对As(Ⅲ)以及可能的有机砷化合物进行解毒;⑶通过增加抗氧化酶的合成，来减少砷胁迫带来的氧化损伤。