苏云金芽胞杆菌sRNA的多样性分析和功能研究

Bacterial small RNAs (sRNA) play crucial regulatory roles in bacterial normal growth cycles and adaptation to different surviving environments. Though many sRNAs and their functions were reported, most of them were based on some typical model species and some important pathogens. Compared to those in Gram- bacteria, those on sRNA in Gram+ are much less. Moreover, besides for in Escherichia coli, there is few report about the dynamics and evolution of sRNA in a bacterial population on species or genus level. This research plans to use all the antisera standard strains from the 71 serotypes (84 serovars) of Bacillus thuringiensis (Bt) as material to understand and reveal the distribution, dynamics and targets of sRNA as well as the interaction network among sRNAs and targets by bioinformatics methods. The sRNA and their targets involved in sporulation, expression of genes for insecticidal crystal proteins and adaptation to the insect hosts will be studied by experiment. The regulatory models of some novel sRNA identified above will be studied in detail by molecular and other methods. This research will setup a model to understand the diversity of sRNA in a Gram+ bacteria population on the species level, enrich the information about sRNAs, their dynamics and regulatory models in bacteria, and provide some fundamentals to construct high efficient pesticides.

细菌小RNA(sRNA)在细菌的生长以及适应环境中起着重要的调控作用。目前已有大量sRNA调控功能的报道，但主要集中在少数模式细菌和重要病原细菌中，而且革兰氏阳性细菌中的相关研究相对滞后，同时细菌种群内系统性地研究sRNA的动态与进化规律以及所涉及到的调控网络仅在大肠杆菌中有报道。本研究以苏云金芽胞杆菌(Bt)所有的71个标准血清型(84个亚型)菌株为对象，采用生物信息学方法获得所有sRNA分布多样性与动态变化规律，预测其作用的靶标并构建与靶标的相互作用网络，通过实验解析参与芽胞形成、杀虫晶体蛋白表达以及Bt适应宿主的sRNA的调控网络并揭示新型sRNA的调控模式，从而为揭示sRNA在革兰氏阳性细菌种群中的多样性特点、动态规律以及调控模式提供认识模型，进而为完善sRNA在细菌门中的动态规律以及调控模式提供实例支持，另外还能为更好地控制Bt毒力因子的表达进而构建高效杀虫剂提供理论基础。

细菌小RNA(sRNA)在细菌的生长以及适应环境中起着重要的调控作用。目前已有大量sRNA调控功能的报道，但主要集中在少数模式细菌和重要病原细菌中，而且革兰氏阳性细菌中的相关研究相对滞后，同时细菌种群内系统性地研究sRNA的动态与进化规律以及所涉及到的调控网络仅在大肠杆菌中有报道。本研究以苏云金芽胞杆菌(Bt)所有的71个标准血清型(84个亚型)菌株为对象，采用生物信息学方法研究sRNA及其靶标基因的多样性，同时以线虫高毒力Bt菌株YBT-1518为模型通过RNA-seq对sRNA的真实性进行验证，并以YBT-1518中sRNA为材料系统研究不同sRNA调控功能和调控模式的多样性。本研究(1)首先通过生物信息学揭示了84株Bt标准血清型菌株中sRNA及其靶标具有多样性，共发现12912个sRNA，平均每个基因组154个；(2) 通过RNA-seq鉴定在培养基条件下线虫高毒力Bt菌株YBT-1518中表达了37个sRNA，并通过预测分析揭示了这些sRNA的靶标基因涉及Bt基本生理代谢及其与宿主互作等过程；(3) 以YBT-1518为模型系统的研究了sRNA调控功能和机制的多样性，揭示了① sRNA BtsR1在体外负调控cry基因的表达从而逃避宿主对病原菌的趋避、拒食的免疫行为；② sRNA通过多种作用模式调控自身非毒力基因的表达从而影响Bt与宿主互作；③ sRNA通过多种作用模式调控Bt芽胞形成和萌发相关过程；④ sRNA能调控细菌正常的生长过程；(4) 本课题还基于Bt基因组数据对新型cry基因发掘、杀线虫毒素反式乌头酸的生物合成途径、黑色素合成机制等方面进行了一些拓展研究。总体来说，本研究首次在革兰氏阳性菌中系统的对sRNA的种类和功能多样性进行研究，揭示了sRNA具有多种调控模式，包括调控毒力基因、免疫抑制因子基因、铁摄取调控基因、芽胞形成及萌发相关基因的表达参与Bt与宿主互作过程。从基础理论上丰富了对革兰氏阳性菌sRNA多样性和及其调控网络多样性的认识，同时也进一步提升了人们对Bt与宿主相互关系的认识。此外，在应用层面对Bt中sRNA的研究可以深入地认识了解毒力因子的表达调控机制，为高效Bt杀虫剂的研制提供理论基础。