两种储铁蛋白对根癌农杆菌的生长和致病性的影响及机制研究

Agrobacterium tumefaciens is a plant pathogen that be used as an engineering bacteria for constructing transgenic plants. However, the mechanism of infecting plants by A. tumefaciens is not explicit enough so far, which slows down the process of further improving the efficiency of infection and utilization. The past studies show that the virulence of plant pathogen closely connected with ferritin protein. The two ferritins Bfr and Dps of A. tumefaciens have distinctive sequence features, combination form and transcriptional regulatory factors compared with other pathogens. Few studies have reported the connection of the particular combination form and functional features of ferritins to cell growth and virulence in A. tumefaciens. Our previous assays showed that bfr deletion reduced cell growth, antioxidant ability and virulence. Hence, in this project we plan to construct a series of bfr and dps mutant of A. tumefaciens, then measuring the effect of Bfr and Dps to growth and virulence. Meanwhile for Bfr and Dps, the possible protein interaction, transcriptional regulation, functional complementation, intracellular distribution, and effects on the transcription of other iron metabolism genes and virulence genes will be studied hence the molecular mechanism of ferritins is revealed systematically. This work is helpful in further illuminating the pathogenic mechanism of A. tumefaciens, and is possibly helpful in constructing more effective engineering strain for transgenic plants, therefore possessing important academic and application values.

根癌农杆菌是一种植物病原菌并可作为植物转基因工程菌，然而其侵染植物的机制还不够明确，这影响了进一步提高该菌的侵染和利用效率。有文献报道植物病原菌的致病性和储铁蛋白紧密相关。通过序列比对，发现农杆菌的两个储铁蛋白Bfr和Dps在序列特征、组合类型以及转录调控因子种类上与其他致病菌有较大差异。该菌独特的储铁蛋白类型和特点与细胞生长和致病性的关系尚少有人研究。前期实验表明bfr缺失减弱了该菌的生长能力、抗氧化胁迫能力和致病性。因此本项目拟在前期研究的基础上，通过构建农杆菌bfr和dps基因的系列突变株，检测Bfr和Dps对该菌的生长和致病性的影响。同时，通过研究Bfr和Dps可能存在的蛋白互作、转录调控、功能互补、胞内分布以及对其它铁代谢基因和致病基因的转录影响，系统揭示该菌储铁蛋白的分子作用机制。该研究有助于阐明农杆菌的致病机理，并可能用于开发更高效的转基因工程菌株，有重要的学术和应用价值。

根癌农杆菌是一种广泛存在于土壤的革兰氏阴性菌，能够感染大多数双子叶植物，引起冠瘿瘤疾病。根癌农杆菌的致瘤机制是将自身Ti质粒上的部分DNA片段转运并整合至宿主基因组，使宿主发生遗传转化。因此，经适当遗传改造的根癌农杆菌可作为对植物进行转基因的工具菌。储铁蛋白（Ferritin）是一类广泛存在于各种生物中为细胞储存铁的重要蛋白质。细菌中的储铁蛋白通常包括三类：原型（archetypal）储铁蛋白Ftn、细菌储铁蛋白Bfr和饥饿细胞DNA结合蛋白Dps。由于铁是细胞所需的重要微量元素，影响许多生物学功能，因此，储铁蛋白也影响许多生物学过程。以前的研究证明，储铁蛋白的缺失影响许多病原菌的致病性。根癌农杆菌基因组中只有两个编码储铁蛋白的基因，atu2771 和 atu2477。Atu2771编码Bfr，atu2477编码Dps，没有编码Ftn的基因。该资助项目的研究计划就是，确定两种储铁蛋白Bfr和Dps对根癌农杆菌致病性的影响，并解析两者影响致病性的机理。通过该项目的研究证明：1）两种储铁蛋白的缺失影响根癌农杆菌在铁胁迫条件下的生长，但，在铁适量的情况下，储铁蛋白的缺失不会明显地影响根癌农杆菌的生长。2）铁蛋白的缺失使根癌农杆菌细胞内的铁含量显著降低。Bfr的缺失对胞内铁含量的影响要比Dps的缺失严重得多。3）储铁蛋白的缺失明显地影响根癌农杆菌的抗氧化性。4）储铁蛋白的缺失影响根癌农杆菌的致瘤性，这种影响尤其在叶片致瘤过程中表现明显。由该资助项目所获得的这些研究成果已经发表在国际认可的一区顶级（top）期刊Molecular Plant Pathology. 2020; 21: 1167-1178 上。这些研究结果能够获得国际同行的认可，发表在国际公认的重要学术期刊上，已经说明这些研究成果具有重要的科学意义。