根系分泌物介导下植物-土壤-微生物互作关系研究进展与展望

根系分泌物是植物与土壤进行物质交换和信息传递的重要载体物质,是植物响应外界胁迫的重要途径,是构成植物不同根际微生态特征的关键因素,也是根际对话的主要调控者。根系分泌物对于生物地球化学循环、根际生态过程调控、植物生长发育等均具有重要功能,尤其是在调控根际微生态系统结构与功能方面发挥着重要作用,调节着植物-植物、植物-微生物、微生物-微生物间复杂的互作过程。植物化感作用、作物间套作、生物修复、生物入侵等都是现代农业生态学的研究热点,它们都涉及十分复杂的根际生物学过程。越来越多的研究表明,不论是同种植物还是不同种植物之间相互作用的正效应或是负效应,都是由根系分泌物介导下的植物与特异微生物共同作用的结果。近年来,随着现代生物技术的不断完善,有关土壤这一"黑箱"的研究方法与技术取得了长足的进步,尤其是各种宏组学技术(meta-omics technology),如环境宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白组学、宏代谢组学等的问世,极大地推进了人们对土壤生物世界的认知,尤其是对植物地下部生物多样性和功能多样性的深层次剖析,根际生物学特性的研究成果被广泛运用于指导生产实践。深入系统地研究根系分泌物介导下的植物-土壤-微生物的相互作用方式与机理,对揭示土壤微生态系统功能、定向调控植物根际生物学过程、促进农业生产可持续发展等具有重要的指导意义。该文综述了根系分泌物的概念、组成及功能,论述了根系分泌物介导下植物与细菌、真菌、土壤动物群之间的密切关系,总结了探索根际生物学特性的各种研究技术及其优缺点,并对该领域未来的研究方向进行了展望。     

嗜水气单胞菌bamA、bamB、bamD突变株的构建及其对外膜蛋白转运的影响

革兰氏阴性细菌的BAM(β-barrel assembly machinery)系统一般由BamA-E等5个亚基组成,以β-桶状外膜蛋白的结构对细菌的转运和正确折叠中起重要作用。目前对于BAM系统的研究大多集中在大肠杆菌、脑膜炎双球菌等细菌中,而在其他细菌中的相关功能还有待进一步研究。以嗜水气单胞菌为研究对象,首先利用同源重组技术,分别构建完成bamA、bamB、bamD的缺失突变株。尔后,利用SDS-PAGE检测技术对相应突变株差异外膜蛋白进行比较,并对这些差异蛋白进行质谱分析,共鉴定到7个差异蛋白,其中5个为外膜蛋白,2个为位于内膜上的蛋白酶。此外,还通过Western blotting对部分突变株外膜蛋白的表达进行验证。研究结果发现,嗜水气单胞菌BAM系统的突变不仅改变了其外膜蛋白表达,还影响了微生物的蛋白转运进程;且在系统中不同亚基对不同外膜蛋白的转运和表达效果也有所不同,结果提示了嗜水气单胞菌BAM转运系统的不同亚基存在特定外膜蛋白转运的特性。     

嗜水气单胞菌中转录因子AHA_1581对细菌生理功能调控机制的研究

[目的] LuxR家族转录因子能够抑制或刺激不同功能类型基因的表达,来维持细胞功能的稳定性。嗜水气单胞菌是水产养殖中重要的致病菌之一,目前对该菌中的LuxR家族转录因子功能的研究还较少。[方法] 本研究利用含有sacB标记的自杀载体pRE112和同源重组技术敲除LuxR家族转录因子AHA_1581基因。[结果] 生理表型测定结果发现,ΔAHA_1581的运动与胞外蛋白的酶活增强、生物被膜形成能力降低,且耐受低温、卡那霉素、庆大霉素胁迫,但是对K₂Cr₂O₇更加敏感。进一步对野生型Ah和ΔAHA_1581的定量蛋白质组学分析,共鉴定到2654个蛋白,其中59个蛋白下调表达,142个蛋白上调表达。生物信息学分析表明AHA_1581参与调控双组分调节系统、丙酮酸代谢、碳代谢、TCA循环等细菌重要生理过程,以及细菌耐药基因和毒力因子的差异表达。[结论] 了解AHA_1581基因在调控细菌毒力以及生物过程中所起的重要作用,对预防和控制嗜水气单胞菌引起疾病的发生和传播可能具有重要的科学意义。     

嗜水气单胞菌非核糖体肽合成酶基因功能研究

非核糖体肽是微生物体内一类具有天然生物活性的次生代谢物,由非核糖体肽合成酶催化生成。而AHA2474和AHA2476是嗜水气单胞菌ATCC7966中两个编码非核糖体肽合成酶的基因。利用同源重组技术分别构建了AHA2474、AHA2476基因缺失株,并对其生理特性进行测定。结果表明,与野生株相比,缺失株的溶血性和胞外蛋白酶活性均显著增强,而产铁能力明显减弱;在缺铁条件下,缺失株的生长能力较弱,补充铁离子后又能恢复生长。同时在过氧化氢应激下ΔAHA2474菌株具有更大的耐受性。以上研究结果提示AHA2474和AHA2476基因可能通过影响铁离子动态平衡过程来调控该菌的生理特性,同时也表明非核糖体肽在该菌致病性方面起作用,为探究该菌的致病机制及防治策略提供理论依据。     

细菌外膜蛋白参与革兰氏阴性细菌对异丙醇耐受的调节

细菌外膜蛋白与细菌对异丙醇耐受关系密切,但迄今为止尚未见相关研究.本文首先采用基于双向电泳(two dimensional electrophoresis,2-DE)的蛋白质组学技术,研究E.coli K-12 BW25113在有无异丙醇条件下外膜蛋白表达的差异.结果发现,外膜蛋白LamB、FadL和OmpC以及OmpT、Tsx、OmpA和OmpF在异丙醇应激条件下表达量分别上调和下调.然后通过基因敲除、补救和高表达等功能基因组学的方法,探讨这些功能外膜蛋白在异丙醇应激耐受中所起的作用,发现LamB、OmpA和OmpC在E.coli K-12 BW25113对异丙醇耐受过程中起到更重要的作用.最后,对EnvZ/OmpR双组分信号转导系统在对异丙醇耐受中的作用进行了研究,证实EnvZ/OmpR双组分信号转导系统确实参与细菌对异丙醇的耐受.因此,外膜蛋白的改变和EnvZ/OmpR双组分信号转导系统的调节是革兰氏阴性细菌对异丙醇耐受的一种重要机制。     

巴洛沙星胁迫下大肠杆菌的比较蛋白质组学研究

随着全球细菌耐药形势的日益严峻,细菌耐药机制已成为热点内容。利用iTRAQ标记的定量蛋白质组学方法,比较大肠杆菌K12 BW25113菌株在1/4 MIC巴洛沙星浓度胁迫下蛋白表达的差异。结果表明,质谱分析法共鉴定到118个差异蛋白,其中52个蛋白表达上升,66个表达下降;经生物信息学分析发现,细菌可能通过降低TCA循环、丙酮酸循环以及碳代谢等能量代谢来调整细菌的耐药状态;并通过提高核酸代谢等相关蛋白表达,减少巴洛沙星的杀菌压力,促进细菌存活。同时,利用qPCR技术验证碳代谢和嘧啶代谢途径的相关基因在mRNA水平的表达变化,表明大部分基因转录水平表达变化与蛋白水平一致。以上结果为深入研究细菌的耐药过程提供了理论依据,也为更好地控制和防治耐药细菌提供了药物作用靶点。     

嗜水气单胞菌zntR调控的生理功能及其机制研究

【目的】ZntR是一种金属调控蛋白,可催化锌外排基因的转录激活,防止细胞内二价Zn离子过量,但其对细菌生理功能的影响目前尚不清楚。【方法】本研究构建了嗜水气单胞菌ATCC7966(Aeromonas hydrophila,A.h)的zntR缺失株及补救株,对菌株的生物被膜形成能力、溶血活性、运动能力和响应金属离子胁迫等生理表型进行评估。【结果】敲除zntR基因的菌株对锌和铬离子胁迫敏感、对钴离子胁迫耐受,并且生物被膜形成能力下降、运动能力增强,这些表型在其补救菌株中均能得到恢复。进一步利用DIA定量蛋白质组学技术比较野生株和zntR缺失株的蛋白表达差异,发现ZntR还可能参与双组分系统、细菌的趋化性等代谢通路的调控。【结论】该研究结果可为今后深入探讨zntR转录因子参与细菌生理功能的调控机制提供理论依据。     

嗜水气单胞菌ntrC调控的生理功能及其机制研究

[目的] NtrC是一种与DNA结合的转录调控因子,在激活氮同化基因的转录和维持氮源供应中具有重要作用,本研究拟探究其对嗜水气单胞菌生理功能的影响及其作用机理。[方法] 本研究采用同源重组方法构建了嗜水气单胞菌ATCC 7966 ntrC的缺失株,并以野生株为对照,对缺失株的生理表型进行测定和分析,利用定量蛋白质组学技术比较野生株和ntrC缺失株的蛋白表达差异。[结果] 发现敲除ntrC基因后,嗜水气单胞菌在缺氮、渗透压、重金属离子、氧化以及不同抗生素胁迫下的耐受性都发生显著变化,且这些表型在其补救菌株中均能得到恢复。定量蛋白质组学分析发现,野生株和ntrC缺失株的差异表达蛋白可能参与氨基酸生物合成、抗坏血酸和醛糖酸盐等代谢通路的调控。[结论] 本研究阐明了ntrC在嗜水气单胞菌中的重要作用及其对细菌生物学功能的影响,探讨了ntrC直接或间接调控的蛋白与生理表型之间的联系,研究结果可为未来水产致病菌的防治提供理论支持。     

嗜水气单胞菌中类组蛋白HupB生理功能的研究北大核心

【目的】DNA结合蛋白HU蛋白是一类组蛋白样蛋白,其参与细菌DNA的重组与修复,在细菌的转录调控中发挥重要作用,但目前该蛋白对细菌生理功能的影响尚不完全清楚。为了更好地理解HU蛋白,本研究探讨HupB的生理功能。【方法】以嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)ATCC7966为研究材料,利用同源重组技术构建编码HU蛋白β亚基的hupB基因缺失菌株,并对其常见生理表型进行测定。【结果】hupB基因缺失菌株的溶血性、胞外蛋白酶活性和运动性均显著增强,而生物被膜形成能力显著下降,并且ΔhupB::hupB菌株中生物被膜形成能力恢复。进一步利用基于label-free的定量蛋白质组学技术比较了野生株和ΔhupB突变株的差异表达蛋白,发现235个蛋白表达上升,224个蛋白表达下降。生物信息学分析显示hupB敲除后导致蛋白质翻译、生物被膜生成以及信号转导等多个生物过程相关蛋白表达发生变化。【结论】研究结果表明嗜水气单胞菌HupB蛋白能显著影响细菌生物被膜形成能力,以上研究为更好地探究嗜水气单胞菌HupB蛋白对细菌生理功能的调控机制提供理论基础。