解淀粉芽孢杆菌生物膜表型异质性变异的分子调控机制及其对抗菌活性的影响

The project is brought forward based on the progress on the study of previous project of the National Natural Science Foundation of China, and on the extensive review on the domestic and international studies. The study will continue to aim at the regulation mechanism of antimicrobial activity of Bacillus amyloliquefaciens using the natural quality of bacterial biofilm. In the project, phenotype heterogeneity of bacterial biofim will be used as the object to reveal the regulation mechanism of the phenotype heterogeneity variation and therefor influencing the antimicrobial activity. To achieve that, we will establish the experimental systems of the bacterial dynamic mutation to reveal the dynamic progress of the mutation and ecological characteristics of adaptive variation. The methods of RNA-seq, genic mutation and Real time PCR will be used to reveal the regulation mechanism of the phenotype heterogeneity variation of the bacterial bioflm. "DegS-DegU" and "SinR/sinI" will be focused on and Bacterial motility, Bacterial spore formation and Antimicrobial activity will be used as the key events to discuss the relationship between phenotype heterogeneity of bacterial biofim and antimicrobial activity of B. amyloliquefaciens. The research should be of great importance to revealing the regulation mechanism of antimicrobial activity and benefit for the understanding of the bacterial biofilm formation.

基于前一个国家基金项目的研究，本研究将继续瞄向"通过细菌生物膜自然属性的探讨，解析生防细菌抗菌活性调控机制"的主题，以具有重要生防特性的解淀粉芽孢杆菌为对象，针对新发现的"生物膜表型异质性变异伴随抗菌活性衰减"的客观现象，建立细菌动态变异的试验体系，揭示生物膜表型异质性变异的动态过程及其生态对策；采用转录组测序从整体上分析生物膜表型异质性变异的调控机制；在此基础上，重点聚焦DegS-DegU、SinR/sinI等调控系统，围绕"运动性"、"芽孢形成"和"抗菌活性"事件，采用关键基因突变以及实时定量PCR技术，探讨不同变异表型下细菌对这些事件的调控特征，分析事件之间分子调控通路上的关联，从表型和分子性状上，揭示生物膜表型异质性与抗菌活性的相关性，进而发现解淀粉芽孢杆菌抗菌活性调控的重要机制。本研究对探索细菌生物膜形成机制、揭示细菌抗菌活性的调控机制，具有重要科学意义和潜在应用价值。

生物膜是细菌的自然属性，细菌存在生物膜表型异质性现象，是应答复杂环境变化的非遗传本质改变的适应性变异，体现了细菌生物膜形成的复杂网络调控模式，为生物膜形成调控机制的研究提供了新的视角和途径，所揭示的调控机制也更具有自然性、生态性和全局性。生物膜表型的异质性，伴随了生防细菌抗菌活性的衰减和波动，揭示异质性和波动性的表型和分子联接，无疑就把握了操纵生防细菌命运的钥匙。这是本申请项目的基本学术思想。解淀粉芽孢杆菌是重要生防细菌，在农林业植物病害生物防治中有举足轻重的作用。本研究围绕"通过细菌生物膜自然属性的探讨，解析生防细菌抗菌活性调控机制"的主题，针对"生物膜表型异质性变异伴随抗菌活性衰减"的客观现象，揭示了表型异质性是解淀粉芽孢杆菌生物膜的客观属性，是其响应和适应环境变化的重要生态适应性特征，揭示了其在环境响应中的“bet-hedging”生态适应性特征；发现解淀粉芽孢杆菌生物膜表型异质性和抗菌活性决定于基因转录表达特性统一，在一定程度上，通过改变基因转录表达，可以改变细菌生物膜表型和抗菌活性；揭示了双组份系统在解淀粉芽孢杆菌生物膜表型异质性和抗菌活性调控中起到重要作用，揭示了“DegS-DegU”、“SinR/sinI”调控系统对解淀粉芽孢杆菌生物膜表型异质性的调控。本研究从表型和分子性状上，揭示了生物膜表型异质性与抗菌活性的相关性，能够促进对解淀粉芽孢杆菌抗菌活性调控的重要机制的发现。本研究对探索细菌生物膜形成机制、揭示细菌抗菌活性的调控机制，以及以细菌为对象，揭示细菌环境适应的一般生态适应性问题，具有重要科学意义和潜在应用价值。