胶质类芽孢杆菌EPS 参与细菌-植物互作的分子机制研究

How to increase the colonization and function activity of plant growth-promoting bacteria is an urgent problem to be solved. Many studies revealed that exopolysaccharides (EPS) could increase the colonization ability of bacteria and promote plant growth due to its resistance to biotic or abiotic stresses. Most of researchers focused their studies on the molecular mechanisms of EPS involved in bacteria-plant interactions at the gene level, or analyzing the chemical structure of bacterial EPS when cultured under some regular carbon sources. However, the structures and functions of EPS induced by root exudates were rarely reported. In this project, we will collect the exopolysaccharides released by Paenibacillus mucilaginosus G78 when cultured under different composition of proposed tomato root exudates and study the chemical structures of specific EPS that involved in bacteria-plant interaction.This work will lay an important theoretical foundation for the analysis of the molecular mechanism of Paenibacillus-plant interaction.

促植物生长细菌在植物根部的定殖能力与功能活性是其在田间应用中亟待解决的问题。大量研究发现，促植物生长细菌分泌的胞外多糖（EPS）不仅能增强细菌对植物的侵染定殖能力，而且还可帮助细菌抵抗逆境，有效地促进植物生长。以往的研究多从基因水平上探索植物促生菌分泌的EPS参与细菌-植物互作机制，或是研究常规碳源培养条件下细菌分泌的EPS结构与种类，而对于直接响应植物根系分泌物组分的细菌EPS种类与功能却少见报道。本项目拟通过生化与分子标记相结合的方法，以产EPS的植物促生菌Paenibacillus mucilaginosus G78为研究对象，选用番茄分泌物中不同组分为碳源培养制备EPS，深入研究在促定殖及促生过程中发挥主导作用的EPS种类及其化学结构。本项目将弥补胶质类芽孢杆菌EPS参与植物-微生物互作机制的空白，并为增强胶质类芽孢杆菌的侵染定殖与促生能力提供新的思路和理论基础。

促植物生长细菌在植物根部的定殖能力与功能活性是其在田间应用中亟待解决的问题。大量研究发现，促植物生长细菌分泌的胞外多糖（EPS）不仅能增强细菌对植物的侵染定殖能力，而且还可帮助细菌抵抗逆境，有效地促进植物生长。然而，目前对于胶质类芽孢杆菌EPS参与细菌-植物互作的研究少见报道。本项目以高产EPS的植物促生菌Paenibacillus mucilaginosus G78为研究对象，选用番茄分泌物中不同组分为碳源培养制备EPS，深入研究在促定殖及促生过程中发挥主导作用的EPS种类及功能。项目研究结果显示，在51种已报道的番茄根系分泌物单一组分中，G78菌株能够利用其中的48种组分；以氨基酸及有机酸等为单一碳源时，G78菌株生长缓慢，且产EPS含量较低；以蔗糖、葡萄糖、果糖为碳源时，G78菌株可产大量高分子量EPS。结合全基因组测序分析结果，推测在植物根际环境中，G78菌株可能优先利用根系分泌物中的糖类物质，或是降解植物根系脱落到根际环境中的多聚糖类物质，在体内转化成单糖进入EPS的合成代谢途径中。G78菌株在蔗糖、葡萄糖、果糖诱导下分泌的EPS单糖组分相同，且都能促进番茄的生长，暗示G78分泌的EPS功能与结构不受碳源种类影响。该类EPS能够增强番茄植株抗逆相关的酶活，提升番茄植株根际土壤养分及相关酶活，并且有效促进G78菌株在番茄根系的定殖。G78菌株基因组中含有感应植物信号分子、植物细胞壁降解酶合成及生物膜合成等相关的代谢通路，且包含与溶解无机磷、分泌铁载体及杆菌肽相关的基因，这些都为菌株G78可以有效在植物根表及根内定殖促生提供有力的分子依据。通过对类芽孢杆菌属的41株已经完成测序的菌株比较基因组分析，pelA，pelD，pelE可能与胶质类芽孢杆菌高产EPS相关。此外，41株类芽孢属菌株都包含与溶磷及磷酸运输功能相关的基因，暗示类芽孢杆菌属普遍具有溶解无机磷的功能，具备参与土壤养分活化的益生功能。本项目弥补了胶质类芽孢杆菌EPS参与细菌-植物互作机制的空白，并为增强胶质类芽孢杆菌的侵染定殖与促生能力提供新的思路和理论基础。