高产吩嗪-1-羧酸（PCA）假单胞菌株M18G发酵优化模型的构建

吩嗪-1-羧酸（phenazine-1-carboxylic acid, PCA）是促进根际生长假单胞菌分泌的重要抗菌物质。采用Plackett-Burman（PB）设计和响应面法（response surface method, RSM）对假单胞菌株M18（Pseudomonas sp. M18）的gacA基因突变株M18G的次级代谢产物PCA发酵的营养条件进行建模。运用Plackett-Burman（PB）设计试验,从12个营养成分中筛选出4个关键的组分,进而采用RSM 法对这4个因素进行中心组合设计试验,建立回归方程并进行统计学分析,绘制各营养因子之间的关系图。实验结果表明：建立的模型能合理地模拟并优化发酵中各参数及其浓度,确定发酵培养基的成分和浓度为：黄豆粉33.4g/L,葡萄糖12.7g/L,大豆蛋白胨10.9g/L和乙醇13.8 g/L, M18G菌株经60 h发酵培养,最高PCA产率能达到1.89 g/L,比优化前提高了6倍左右。各营养因子的等值线图表明黄豆粉和乙醇在PCA高产发酵中起到更为关键的作用,因此提供了提高PCA发酵产量的有效方法,并为其未来商业化应用奠定了基础。     

假单胞菌株M18gacA基因对BHL和HHL合成正调控及对PCA合成负调控无相关性

经初步鉴定,假单胞菌株(Pseudomonassp.)M18至少能产生5种N-酰基高丝氨酸内酯类(N-acyl-homoserinelactones,AHLs)信号分子,它们是:N-丁酰高丝氨酸内酯(N-butyryl-L-homoserine lactone,C4-HSL,BHL)、N-己酰高丝氨酸内酯(N-hexanoyl-L-homoserine lactone,C6-HSL,HHL)、N-3-氧-己酰高丝氨酸内酯[N-(3-oxohexanoyl)-L-homoserinelactone,3-Oxo-C6-HSL,OHHL]、N-3-氧-辛酰高丝氨酸内酯[N-(3-oxooctanoyl)-L-homoserine lactone,3-Oxo-C8-HSL,OOHL]和N-3-氧-癸酰高丝氨酸内酯[N-(3-oxodecanoyl)-L-homoserine lactone,3-Oxo-C10-HSL,ODHL)。在gacA突变菌株M18G中,信号分子的积累量明显减少,且只能检测出其中的4种;同时,吩嗪-1-羧酸(Phenazine-1-carboxylic acid,PCA)的合成量比野生株M18提高了2倍左右。在M18菌株中,基因rhlⅠ的编码产物参与BHL和HHL的合成。构建rhlI’-’lacZ翻译融合表达质粒pMEIZ,分别导入野生株M18和突变株M18G,突变株M18G的半乳糖苷酶活性比野生株M18下降约40%,表明GacA对基因rhlI的表达具有正调控作用。但是,在野生株M18和突变株M18G的发酵液中,分别或同时添加过量的外源BHL和HHL,对PCA合成的影响不显著,表明在突变株M18G中,PCA合成量的增加与BHL和HHL合成量的减少没有明显的相关性。     

铜绿假单胞菌M18 rsmY突变株的构建及其对PCA和Plt的区别性调控

【目的】在假单胞菌中,小RNA(sRNA)参与初级和次级代谢产物、多种毒素因子以及菌群传感系统的调控,通过在植物根际促生铜绿假单胞菌M18中研究RsmY对吩嗪-1-羧酸(PCA)和藤黄绿菌素(Plt)两种抗生素的调控作用,深入了解假单胞菌中次级代谢的途径并为构建高产抗生素工程菌株提供了一定的理论基础。【方法】运用同源重组技术,构建了铜绿假单胞菌M18株的rsmY突变菌株M18RY,通过基因过表达、lacZ报告基因融合分析实验,进一步验证了RsmY对抗生素合成基因的调控作用。【结果】比较野生型M18和突变株M18RY中PCA和Plt在同一培养条件下的生物合成量,突变菌株M18RY中PCA的产量显著增加,为野生型菌株的5倍左右,而Plt的产量降为野生型的1/8。LacZ报告基因融合分析进一步证明了RsmY对PCA的负调控作用主要是通过phz2基因簇来实现的。【结论】结果表明,rsmY基因区别性调控PCA和Plt的生物合成。     

诱变筛选荧光假单胞菌M18高产吩嗪-1-羧酸(PCA)菌株及发酵条件研究

研究了亚硝基胍(NTG)的诱变剂量、处理时间以及氯化钠浓度对野生型荧光假单胞菌M18存活率的影响,NTG的诱变剂量25～200mg／L,处理时间10～30min范围内,随着诱变剂剂量增加和时间的延长,M18的存活率不断下降。NTG的作用剂量25mg／L,处理时间10min时,细菌存活率为55％左右。利用细菌存活率为55％时的诱变条件,经生物测定,初筛获得20株抑菌效果明显的诱变株。经摇瓶发酵复筛,从这20株诱变株中,获得PCA高产诱变株M18N07。并对此菌株发酵条件进行调整,较理想的培养条件为：蛋白胨18g／L,葡萄糖16g／L,氯化钠1g／L,硝酸钾10g／L。小瓶培养时间17h,大瓶5％接种量,28℃培养54h。     

假单胞菌M18调控基因ppbR的克隆及功能研究

假单胞菌 (Pseudomonas sp.) M18 是促进植物生长的根际细菌, 能产生吩嗪-1-羧酸 (PCA) 和藤黄绿菌素 (Plt) 两种不同的抗生素。根据生物信息学分析, 铜绿假单胞菌PA2572基因编码蛋白可能是一个双元调控系统的应答调节子。本研究从假单胞菌M18基因组中扩增出PA2572同源基因片段ppbR, 利用体外定点插入突变和同源重组技术构建了M18 的ppbR突变株M18P。研究结果表明, 突变株M18P在泳动能力和群集运动能力上有显著的下降。突变株合成PCA 的能力比野生型有显著的下降, 在发酵液中PCA积累量仅为野生型的50%。在KMB培养基中, 突变株Plt的积累量和野生型没有显著的差异。     

假单胞菌M18rsmA-突变株的构建及其对Plt和PCA合成的区别性调控作用

假单胞菌(Pseudomonas sp．)M18是促进植物生长的根际细菌,能产生吩嗪-1-羧酸(PCA)和藤黄绿菌素(Plt)两种不同的抗生素抑制植物病原菌,保护植物免受病害。运用PCR方法,从M18基因组中,扩增出rsmA基因部分片段,并以该片段为探针,从M18的基因组柯斯文库中筛出阳性克隆,切取带有rsmA基因及两侧序列的1．5kb片段,中间插入编码Km‘的DNA片段,获得rsmA^-体外突变体。运用同源重组剔除技术,构建了M18菌株的rsmA突变株M18R^-。突变株M18R^-生物合成Plt的能力比野生型M18提高4倍,但是,PCA产量仅为野生型的20％。研究结果表明,全局性调控基因rsmA可能通过不同的机制区别性地影响Plt和PCA的生物合成。     

假单胞菌株M18gacA基因对BHL和HHL合成正调控及对PCA合成负调控无相关性

经初步鉴定,假单胞菌株(Pseudomonas sp.)M18至少能产生5种N酰基高丝氨酸内酯类(Nacylhomoserine lactones,AHLs）信号分子,它们是：N丁酰高丝氨酸内酯(NbutyrylLhomoserine lactone,C4HSL,BHL)、N己酰高丝氨酸内酯(NhexanoylLhomoserine lactone,C6HSL,HHL)、N3氧己酰高丝氨酸内酯［N(3oxohexanoyl)Lhomoserine lactone,3OxoC6HSL,OHHL］、N3氧辛酰高丝氨酸内酯［N(3oxooctanoyl)Lhomoserine lactone,3-OxoC8HSL,OOHL］和N3氧癸酰高丝氨酸内酯［N(3oxodecanoyl)Lhomoserine lactone,3OxoC10HSL,ODHL)。在gacA突变菌株M18G中,信号分子的积累量明显减少,且只能检测出其中的4种;同时,吩嗪1羧酸(Phenazine1carboxylic acid,PCA)的合成量比野生株M18提高了2倍左右。在M18菌株中,基因rhlⅠ的编码产物参与BHL和HHL的合成。构建rhlI''lacZ翻译融合表达质粒pMEIZ,分别导入野生株M18和突变株M18G,突变株M18G的半乳糖苷酶活性比野生株M18下降约40%,表明GacA对基因rhlI的表达具有正调控作用。但是,在野生株M18和突变株M18G的发酵液中,分别或同时添加过量的外源BHL和HHL,对PCA合成的影响不显著,表明在突变株M18G中,PCA合成量的增加与BHL和HHL合成量的减少没有明显的相关性。     

假单胞菌株M18 psrA突变株的构建及其对吩嗪-1-羧酸和藤黄绿菌素合成的调控

【目的】假单胞菌M18是一株能同时合成吩嗪-1-羧酸(PCA)和藤黄绿菌素(Plt)两种抗生素的植物根际促生细菌。PsrA为细菌TetR家族转录调控因子。为了研究PsrA对PCA与Plt生物合成的影响,从M18菌株基因组中扩增psrA基因。【方法】通过同源重组技术,构建庆大霉素抗性片段置换psrA的突变菌株M18psrA。利用基因互补、lacZ报告基因融合分析实验,验证PsrA对抗生素合成基因的调控作用。【结果】在PPM和KMB培养基中,分别比较野生型菌株M18和突变菌株M18psrA的PCA与Plt产量,突变菌株M18psrA的PCA产量显著下降;Plt产量显著升高,为野生型菌株的10-15倍。基因互补、lacZ报告基因融合分析,进一步证明了psrA正调控PCA的phz2合成基因簇,负调控Plt的合成基因簇。【结论】PsrA区别性调控抗生素PCA与Plt的生物合成。     

假单胞菌M18rsmA-突变株的构建及其对Plt和PCA合成的区别性调控作用

假单胞菌(Pseudomonas sp.)M18是促进植物生长的根际细菌,能产生吩嗪1羧酸（PCA）和藤黄绿菌素（Plt）两种不同的抗生素抑制植物病原菌,保护植物免受病害。运用PCR方法,从M18基因组中,扩增出rsmA基因部分片段,并以该片段为探针,从M18的基因组柯斯文库中筛出阳性克隆,切取带有rsmA基因及两侧序列的15kb片段,中间插入编码Kmr的DNA片段,获得rsmA-体外突变体。运用同源重组剔除技术,构建了M18菌株的rsmA突变株M18R-。突变株M18R-生物合成Plt的能力比野生型M18提高4倍,但是,PCA产量仅为野生型的20%。研究结果表明,全局性调控基因rsmA可能通过不同的机制区别性地影响Plt和PCA的生物合成。     

温度对假单胞rsmA突变株M-18R合成Plt和PCA的区别性影响

次生代谢物阻遏蛋白(Repressor of secondary metabolite,Rsm)A是一种全局性调控因子,与mRNA的RBS结合,转录后水平上抑制基因翻译。运用同源重组技术,构建了假单胞茵(Pseudomonas sp．)M-18的rsmA突变菌株M-18R。在37℃、28℃恒温和短期升温(37℃、4h培养,转28℃继续培养)条件下,比较野生株M-18和突变株M-18R生物合成藤黄绿菌素(Plt)和吩嗪-1-羧酸(PCA)的量。在37℃条件下,M-18和M-18R合成这两种抗生物质的能力几乎受到完全抑制。在28℃条件下,M-18R合成P11的量约为野生型M-18的10倍,达到270μg／mL,但是合成PCA的量仅为野生型的50％。经短期升温培养,M-18的Plt合成量明显下降,PCA产量降低不显;相反,M-18R合成Plt的量达到400μg／mL,但PCA产量的变化仍不明显。推测,M-18菌株细胞内存在着某种与RsmA相关联的温度敏感因子,在RsmA缺失条件下,作为专一性激活剂促进Plt的生物合成,但是,并不参与对PCA合成的调控。     

Las-like quorum-sensing system negatively regulates both pyoluteorin and phenazine-1-carboxylic acid production in Pseudomonas sp. M18

A las-like quorum-sensing system in Pseudomonas sp. M18 was identified, which consisted of lasI and lasR genes encoding LuxI-LuxR type regulator. Several functions of the las system from strain M18 were investigated in this study. The chromosomal inactivation of either lasI or lasR by recombination increased the production of both pyoluteorin (Plt) and phenazine-1-carboxylic acid (PCA) by 4-5 fold and 2-3 fold over that of the wild type strain of M18, respectively. Production of both antibiotics was restored to wild-type levels after in trans complementation with the wild-type lasI or lasR gene. Expression of the translational fusions pltA'-'lacZ and phzA'-'lacZ further confirmed the negative effect of lasI or lasR on both biosynthetic operons, and it was also demonstrated that the las system was related to the ability of swarming motility and the inhibition of cell growth.     

RpoS as an intermediate in RsmA-dependent regulation of secondary antifungal metabolites biosynthesis in Pseudomonas sp. M18

To investigate the regulatory mechanism governing antifungal metabolite biosynthesis, two kinds of global regulator genes in Pseudomonas sp. M18, an rpoS and an rsmA gene, were cloned and mutated by inserting with an aacC1 cassette, respectively. Two mutants showed the same regulatory mode with repression of phenazine-1-carboxylic acid and remarkable enhancement of pyoluteorin. In the rpoS-mutant, a translational rsmA'-'lacZ fusion was expressed at the same level corresponding to that in the wild-type strain. In the rsmA-mutant, however, expression of the translational rpoS'-'lacZ fusion was only about 30% of that in the wild-type strain. The results indicated that the absence of RsmA leads to repression of the rpoS gene expression, which has further been confirmed with construction of chromosomal rpoS-lacZ fusion in the rsmA-mutant and the wild-type strain, respectively. The findings showed a new regulatory cascade controlling antifungal metabolite production in Pseudomonas sp. M18, suggesting that RpoS may serve as a mediator in RsmA-dependent regulation of secondary metabolite biosynthesis.     

藤黄绿脓菌素的自诱导及假单胞菌M18抗生物质代谢相关性初步分析

假单胞菌M18的生防功能归功于其分泌吩嗪-1-羧酸和藤黄绿脓菌素。为了研究抗生物质合成代谢相关性及调控机制,分别构建了两种抗生物质合成基因簇插入突变株M18T和M18Z1。用翻译融合表达载体pMEAZ(pltA′-′lacZ)分别转化野生株和突变株M18T、发酵培养并测定β-半乳糖苷酶活性,结果显示,添加藤黄绿脓菌素使突变株M18T(pMEAZ)的β-半乳糖苷酶活性比野生株M18(pMEAZ)增加约6倍,表明藤黄绿脓菌素对自身基因簇具正向自诱导作用。抗生物质的测定结果显示,突变株M18T无藤黄绿脓菌素合成,而吩嗪-1-羧酸的合成量与野生株相同;突变株M18Z1与野生株相比,吩嗪-1-羧酸明显减少,藤黄绿脓菌素却显著提高。过量的吩嗪-1-羧酸又抑制藤黄绿脓菌素的合成。表明,假单胞菌M18中独有的代谢相关方式为:藤黄绿脓菌素不影响吩嗪-1-羧酸,但吩嗪-1-羧酸负调控藤黄绿脓菌素。     

Las-like quorum-sensing system negatively regulates both pyoluteorin and phenazine-1-carboxylic acid production in Pseudomonas sp. M18

A las-like quorum-sensing system in Pseudomonas sp. M18 was identified, which consisted of lasI and lasR genes encoding LuxI-LuxR type regulator. Several functions of the las system from strain M18 were investigated in this study. The chromosomal inactivation of either lasI or lasR by recombination increased the production of both pyoluteorin (Plt) and phenazine-1-carboxylic acid (PCA) by 4－5 fold and 2－3 fold over that of the wild type strain of M18, respectively. Production of both antibiotics was restored to wild-type levels after in trans complementation with the wild-type lasI or lasR gene. Ex-pression of the translational fusions pltA׳-׳lacZ and phzA׳-׳lacZ further confirmed the negative effect of lasI or lasR on both biosynthetic operons, and it was also demonstrated that the las system was related to the ability of swarming motility and the inhibition of cell growth.     

假单胞菌gacA插入突变对藤黄绿脓菌素和吩嗪-1-羧酸合成代谢的差异性调控

假单胞菌株M18分泌藤黄绿脓菌素 (Pyoluteorin ,Plt )和吩嗪 1 羧酸 (Phenazine 1 carboxylicacid ,PCA)并抑制多种植物病菌的生长。从M18中克隆双基因调控系统gacS gacA的组成基因gacA ,并构建了该基因抗性插入突变株M18G。在KMB培养基中 ,M18G合成Plt的能力受到完全抑制 ,而PCA的积累约比野生型提高 31倍左右。Plt合成基因簇突变株M18T和在M18G基础上构建的PCA合成基因簇突变株M18GA的Plt和PCA合成的动力学变化表明 ,在M18G菌株中 ,Plt合成的抑制并不引起PCA的过量积累 ,PCA的过量积累也不引起Plt合成的抑制。由此推测 ,gacA在基因表达的水平上全局性地执行着调控功能