固氮施氏假单胞菌bifA基因的功能分析

环二鸟苷酸(c-di-GMP)是细菌中一种重要的第二信使,能够调控多种生理活动。C-di-GMP由两个GTP分子经环化酶(DGCs)合成,而被磷酸二酯酶(PDEs)降解,在铜绿假单胞菌中bifA基因为降解c-di-GMP的基因,参与了胞内c-di-GMP的浓度调节。以固氮施氏假单胞菌A1501中的bifA基因为研究对象,构建了bifA基因突变株;鉴定了bifA基因在c-di-GMP降解及生物膜形成中的功能。结果表明,bifA基因的突变造成了A1501菌中c-di-GMP的积累,同时增强了菌株的生物膜形成能力。此外bifA突变株运动能力大幅下降。由此推测bifA为c-di-GMP降解的关键基因,通过调节胞内c-di-GMP水平间接参与调控了生物膜形成以及菌体运动等生理活动。该结果为解析固氮微生物的信号传递及环境适应机制提供了理论基础。     

固氮施氏假单胞菌RpoN蛋白对鞭毛合成的影响

选择性σ因子σ~(54)(又称为RpoN)参与到许多细菌特定基因的转录起始过程,如氮同化基因、四碳二羧酸转运基因以及鞭毛基因。为了研究施氏假单胞菌A1501(Pseudomonas stutzeri,A1501)中σ因子RpoN对鞭毛合成的影响,构建了A1501的rpoN缺失突变株与功能回补株,并对野生型、突变株与回补株的鞭毛结构、swimming运动、生物膜形成、根际定殖能力以及鞭毛基因的表达水平进行了比较分析。结果表明:rpo N突变株丧失了鞭毛结构与swimming运动能力,根际定殖与生物膜形成能力相对野生型分别下降了25倍与10倍;此外,rpoN缺失后A1501中大量鞭毛基因发生显著下调;启动子分析发现RpoN除了可能参与调控Ⅱ级、Ⅲ级鞭毛基因外,还可能调控一级基因fli A以及四级基因fliC。以上结果说明RpoN在不同调控等级影响A1501鞭毛的合成,进而影响该菌运动、生物膜形成、根际定殖这些与水稻建立起联合固氮体系息息相关的过程。     

施氏假单胞菌固氮调控蛋白NifA调节电子传递体rnf1基因簇的表达

施氏假单胞菌A1501中电子传递体基因簇rnf1位于固氮基因岛上,该基因簇的突变造成固氮酶活显著下降。在rnf1基因簇的启动子区含有固氮调控蛋白NifA的保守结合序列,实时定量qRT-PCR分析证实了nifA突变株中rnf1基因簇的表达量与野生型相比急剧下调,暗示着NifA直接参与rnf1基因簇的表达调控。细菌单杂交系统的体内互作实验表明,在大肠杆菌体内NifA与rnf1基因簇启动子存在直接相互作用;进一步的凝胶阻滞试验证明原核表达纯化的NifA蛋白与rnf1基因簇启动子序列存在体外直接结合。上述结果从分子水平上给出了两者间相互作用的直接证据,为深入研究联合固氮基因的表达调控网络奠定了基础。     

固氮施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）A1501同化硝酸盐代谢基因簇分布及调控研究

固氮施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）A1501在有氧条件下能够利用硝酸盐/亚硝酸盐为唯一氮源生长,表明该菌除了具有固氮和反硝化等氮循环系统外还有同化硝酸盐/亚硝酸盐系统。为进一步阐明该菌同化硝酸盐的代谢机制,利用生物信息学手段分析了硝酸盐同化相关基因的组成及分布情况,并初步研究了同化硝酸盐途径特异性调控关系。结果表明, P. stutzeri A1501中存在两个硝酸盐同化基因簇nasST-nasA-nirBDnasBcobA和nasR-nasFED,分布于基因组不同部位。第一个基因簇中nasS-nasT编码二元抗转录终止因子,nasA编码NarK/NasA家族硝酸盐转运蛋白,nirBD编码亚硝酸盐还原酶,nasB编码同化硝酸盐还原酶,cobA编码参与西罗血红素合成的尿卟啉-Ⅲ C-甲基转移酶;第二个基因簇中nasR编码单一组分抗转录终止因子,nasFED编码ABC型（ATP依赖）硝酸盐/亚硝酸盐转运蛋白。NasS-NasT双组分蛋白调控硝酸盐/亚硝酸盐还原酶基因的转录,NasR调控硝酸盐/亚硝酸盐转运蛋白基因的转录。     

6-磷酸果糖激酶基因pfkA在施氏假单胞菌中的异源表达及其表型分析

糖代谢在生命活动中具有重要意义,它保证了生物体生命活动所需的物质和能量的供应。葡萄糖作为自然界中普遍存在的最简单的单糖,是生物体的理想碳源。施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）A1501具有广泛的、典型的微生物代谢途径,但是该菌利用葡萄糖的效率很低。基因组分析表明A1501菌缺少糖酵解（EMP）途径中编码6-磷酸果糖激酶的基因pfkA,初步认为这可能是A1501菌不能高效利用葡萄糖的原因。利用穿梭质粒pLAFR3将大肠杆菌的pfkA基因导入到施氏假单胞菌中,通过pfkA基因的异源表达重建A1501菌的EMP途径。测定了重组菌株的糖类代谢能力,结果表明pfkA基因的导入并没有赋予重组施氏假单胞菌更强的葡萄糖及其他糖类的利用能力,说明A1501菌葡萄糖利用的低效率除了缺乏pfkA外,还有其他的因素。研究也发现,导入pfkA的重组施氏假单胞菌对H2O2高度敏感,推测pfkA导入重建后的EMP途径可能影响了该菌的还原力合成,导致菌体对氧化胁迫的耐受能力降低。     

斯氏假单胞菌NifA蛋白Y370氨基酸突变对固氮基因转录的影响

NifA为固氮微生物固氮基因(nif)表达的正调控因子,序列分析显示NifA蛋白C6区的一个酪氨酸残基高度保守（对应于A1501为Y370）。β-半乳糖苷酶活性分析表Y370C突变体不能激活nifH启动子,也不能使NifA缺失突变株A1506恢复固氮酶活,而野生型NifA可以激活PnifH+lacZ的表达,并恢复A1506的固氮酶活。研究证明斯氏假单胞菌A1501 NifA蛋白的C6区的Y370氨基酸是NifA蛋白激活nif基因转录的关键位点之一,其具体作用机制值得进一步深入研究。     

固氮施氏假单胞菌电子传递复合体rnf基因簇的功能鉴定

能量供应是限制生物固氮效率的重要因素,电子传递复合体是生物固氮过程中能量产生的重要组成部分。基因组分析表明,在联合固氮菌施氏假单胞菌A1501基因组中存在两套编码电子传递复合体rnf,分别为基因簇rnf1和rnf2,其中rnf1位于固氮基因岛上,rnf2基因簇位于核心基因组上。为了明确两套电子传递体在生物固氮过程中的功能,分别构建了rnf1和rnf2基因簇的突变株并测定了相关表型。结果发现,在基本培养基中两个基因簇的突变都不影响菌体生长,可能相互之间存在着功能互补;固氮酶活性测定结果表明,位于固氮基因岛中的rnf1基因簇缺失造成固氮酶活下降80%以上,而rnf2基因簇的缺失对酶活无显著影响。进一步采用启动子-lacZ融合表达策略探究了基因簇rnf1对固氮酶结构基因nifH转录的影响,发现rnf1极性突变株中nifH的启动子转录活性仅为野生型的17.59%,推测rnf1缺失造成了固氮条件下能量产生匮乏,胞内碳氮比失衡,进而造成固氮系统表达受抑制。     

生物所揭示非编码RNA协同调控固氮机制

正中国农业科学院生物技术研究所微生物功能基因组创新团队林敏课题组在水稻根际联合固氮施氏假单胞菌中发现新型非编码RNA参与协同调控固氮酶活性,为进一步揭示生物固氮网络调控机制奠定了重要理论基础。相关研究成果在线发表在《应用环境微生物学(Applied and Environmental Microbiology)》上。     

防御假单胞菌FD6中RpoS蛋白理化性质预测及rpoS-lacZ转录融合结构构建

Sigma因子是一类依赖于DNA的RNA聚合酶亚基,在生防细菌中通常可调控抗生素的合成。防御假单胞菌(Pseudomonas protegens) FD6中rpoS基因编码的RpoS蛋白是一类非必需sigma因子。利用BPROM在线工具预测rpoS基因的启动子区,并用PCR技术将其克隆到pRG970Km质粒中无启动子的lacZ基因上游,将构建的rpoS-lacZ转录融合质粒转化至菌株FD6中,为后续抗生素合成调控机制的探究提供重要的试验材料。此外,利用生物信息学方法分析P.protegens FD6中RpoS的功能,并通过邻接法构建RpoS的系统发育树。结果表明:FD6中RpoS蛋白分子量约为38 ku,理论等电点为5.14;具有多个磷酸化位点;无跨膜结构,且N端无信号肽;二级结构以无规则卷曲和α-螺旋为主。系统发育树结果显示, FD6中RpoS蛋白的氨基酸序列与防御假单胞菌Pf-5相似性最高,二者在系统发育树中位于同一分支。     

Pseudomonas stutzeri|A1501基因组结构及功能注释

采用全基因组“shotgun”方法完成了固氮斯氏假单胞菌A1501的全基因组序列测定,并进行了基因组结构与功能注释分析。A1501基因组全长4 567 418 bp,含有4 146个ORFs。该基因组中已鉴定了42个编码转座酶的重复序列,这些序列的存在预示着转座现象在A1501菌中非常活跃,预示该菌与其他生物之间基因交流可能比较频繁。比较基因组表明,为了适应特定的生存环境,假单胞菌在基因组结构和遗传信息容量上产生了明显的分化。此外,基因组分析鉴定了A1501环境适应的遗传基础,包括物质转运、信号传导和趋化系统等,这些系统是细菌能够在根际土壤环境中保持竞争力以及能够与水稻形成高效联合固氮体系的关键。A1501基因组的完成为进一步开展功能基因组学和蛋白质组学研究奠定了基础。     

番茄SlWRKY23基因的克隆及其抗病性和耐盐性分析

WRKY转录因子是普遍存在于植物界中的一类转录因子,参与了植物在生物和非生物逆境胁迫中的多种应答。前期研究表明,在PstDC3000侵染及盐胁迫下番茄SlWRKY23基因的表达水平提高。为了研究番茄SlWRKY23转录因子对PstDC3000的抗病性及在盐胁迫逆境中的功能,通过农杆菌介导的遗传转化方法获得转SlWRKY23基因植株,并对3个独立的转基因株系（WRKY23\|1、WRKY23\|5和WRKY23\|7）进行了抗逆性分析。结果表明接种PstDC3000后,转基因植株表现明显的抗病表型,抗病防御相关基因SlPR1和SlPR1a1的表达量显著高于野生型;盐胁迫处理后,转基因植株表现出明显的抗盐表型,逆性相关基因SlRD22和SlDREB2A的表达量显著高于野生型。该结果表明SlWRKY23基因在番茄抗PstDC3000和盐胁迫过程中具有正调控作用,通过上调逆性相关基因的表达量增强抗逆性。     

假单胞菌碳代谢抑制调控系统各组分的功能及作用机制

在复杂的生存环境中,微生物通过碳代谢抑制作用(CCR)优先利用优势碳源,同时抑制非优势碳源的使用,进而达到最佳的生长和代谢过程。碳代谢抑制调控在细菌中普遍存在,但在不同物种间存有差异。大肠杆菌中以CRP蛋白为核心,而假单胞菌的碳代谢抑制调控以CbrAB\|CrcZ\|Crc为核心发挥作用,其中Crc蛋白是一个全局性的调控因子,CrcZ是一个新发现的非编码调控RNA,二元调控系统CbrAB控制CrcZ的表达,整个过程的调控复杂且高效。将国际上最新的相关进展与本实验室工作相结合,详细介绍了假单胞菌属中CbrAB\|CrcZ\|Crc调控系统的作用机制, 有助于提高对微生物碳代谢抑制调控以及环境适应机制的认识。