抗生素Bacillomycin D调控芽孢杆菌根表生物膜形成的分子机理

Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) play important roles in biocontrol of soil-borne diseases, therefore application of PGPR is an important strategy for reducing the input of agricultural chemicals and supporting the sustainability of agriculture. Bacillus amyloliquefaciens, an important PGPR group, could produce Bacillomycin D which is the major component contributing to suppression of fungal pathogens. However, few research has focused on the molecular mechanisms of how Bacillomycin D involved in the biofilm formation of Bacillus. B.amyloliquefacien SQR9 was isolated by our lab and applied widely in agricultural practice. In this project, differentially expressed genes between SQR9 and SQR9M1 (bmyD-disrupted mutant),which were involved in the biofilm formation, will be determined by transcriptome analysis. Then, the key regulator (positive or negative) will be detected by gene knockout. Finally, studies for enhancing the rhizosphere colonization of SQR9 on cucumber root will be worked out by overexpression /knockout of these confirmed positive/negative regulators. This research will provide theoretical instructions and technical support for improving the agricultural application of B. amyloliquefacien SQR9.

根际有益微生物在抵御土传病害方面发挥重要作用，充分利用根际有益微生物资源是减少农用化学品投入、发展可持续农业的重要途径之一。解淀粉芽孢杆菌是一类重要的根际有益菌，其分泌的抗生素类物质Bacillomycin D是拮抗病原真菌的主要活性成分，但有关它对芽孢杆菌生物膜形成的调控研究还鲜有报道。本申请以实验室分离保存并已推广应用的根际有益菌解淀粉芽孢杆菌SQR9为实验材料，首先确定Bacillomycin D突变体生物膜形成过程中差异表达的基因，然后通过基因敲除明确其中与生物膜形成相关的关键基因（正/负调控因子），并筛选能和Bacillomycin D绑定的受体蛋白并验证其功能，阐明Bacillomycin D调控SQR9生物膜形成的分子机制。最后通过过表达/敲除这些正/负调控因子以增强SQR9在黄瓜根际的定殖能力。本研究将为进一步增强SQR9的农业应用效果提供理论依据和技术支持。

芽孢杆菌属能分泌大量次级代谢产物，其中包括了抗生素类物质。这些微生物分泌的抗生素类物质被当做治疗人类疾病的“武器”而深入研究，但很少研究学者关注抗生素也是一种信号物质。前期研究表明，解淀粉芽孢杆菌SQR9中非核糖体合成的脂肽Bacillomycin D正向调节其生物膜和根际定殖过程，表明这种抗生素是一种信号物质。本项目研究证明抗生素Bacillomycin D调控菌株SQR9生物膜是通过促进了其铁离子的运输而完成的。利用转录组技术分析了抗生素Bacillomycin D突变体SQR9M1和野生型菌株在生物膜形成过程中的基因表达差异。突变体SQR9M1生物膜细胞中共有1261个基因表达发生改变，其中574个基因上调（P<0.01），687个基因下调（P<0.01）。功能明确的变化基因约占全部差异基因数量的70%，变化最大的基因功能类群是无机例子转运和代谢。抗生素Bacillomycin D特异性的提高了菌株SQR9中铁离子运输相关基因的表达，同时增强了转运蛋白FeuA转运铁载体Bacillibactin的能力。研究结果表明，提高菌株SQR9胞内铁离子浓度能诱导生物膜形成基质蛋白TasA的表达。通过对菌株SQR9中的细胞色素相关基因aa3和跨膜组氨酸激酶kinB做定点基因敲除，发现突变体失去了对抗生素Bacillomycin D的响应，证明抗生素Bacillomycin D作用于信号传递链Spo0A-SinI-SinR的上游。本项目实验结果证明抗生素Bacillomycin D是一种既有抗生素毒性，又有信号转导能力的双重功能化合物，其生物特性有利于其多细胞阶段的生长和与其他微生物的铁离子竞争。