基于基因组的苏云金芽胞杆菌资源的多样性研究

The Bacillus thuringiensis is the most successful microbial pesticide and is also an important source of the genes for genetically modified (GM) plants. There are 71 serotypes (84 serovars) reported and more 760 genes of insecticidal crystal protein cloned. And these Cry proteins showed toxic to more than 500 insects and many nematodes. As an important pathogen to insects and nematodes, Bt can produce many other accessory virulence factors except for Cry. Up to now the researches about Bt have been mainly focused on the activities and action mode of Cry proteins, those on the genetic differences among different Bt strains, the distributions and dynamics of the major toxins and accessory virulence factors among the Bt population, and the co-evolution between Bt and its hosts based on these features are rarely reported. This project plans to use all the type strains of the 71 serotypes, and some other strains with known serotypes as material, through the methods of comparative genomics, to study the phylogenetic relationships, genetic differences among these strains and the determinants of these features. The relationships among activity profiles of Bt against insects, distributions and evolution of Bt toxins and virulence factors, and the phylogenies of these Bt population, were revealed by studying the distributions, dynamics and evolution of these factors among the whole Bt population. Combing with its related species, comparative genomics will provide new insight into the evolutionary position for the Bt species. This study will provide important theoretical principle for new Bt strain source isolation and differentiation, and can also improve the knowledge of the origin and evolutionary history of Bt species as the important insect pathogen.

苏云金芽胞杆菌(Bt)是使用最成功的微生物杀虫剂。已报道71个血清型，克隆到73个大类的760多个杀虫基因(cry)，不同的Cry能够毒杀500多种昆虫与多种线虫。作为昆虫和线虫病原菌，Bt还能产生大量的辅助活性成分。目前对Bt的认识仅限于少数Cry蛋白的杀虫活性与机制等方面，对于不同Bt之间的遗传差异，主效和辅助活性成分的分布，以及它们所反映出的与宿主之间的进化关系等问题不清楚。本项目拟以所有71个血清型的标准菌株，以及部分血清型的非标准菌株为材料，以比较基因组的方法，研究菌株之间的系统发育关系、遗传差异性及其影响因素。研究主效和辅助毒力因子的分布和进化规律，建立杀虫活性谱与毒力因子以及菌株系统发育之间的关系。并结合近缘种的基因组，为Bt在蜡状芽胞杆菌群中的分类地位提供新证据。本研究将为有针对性地寻找新Bt资源提供理论基础，也将深化我们对于Bt作为重要昆虫与线虫病原菌的起源与进化的认识。

作为昆虫和线虫的病原菌, 苏云金芽胞杆菌（Bt）产生的毒素对昆虫等多种无脊椎动物的具有毒杀活性, 可作为一种模型来研究具有广泛宿主范围的病原菌的演变。目前对Bt的认识仅限于少数Cry蛋白的杀虫活性与机制等方面，对于不同Bt之间的遗传差异，主效和辅助活性成分的分布，以及它们所反映出的与宿主之间的进化关系等问题仍不清楚。本项目通过利用群体基因组学研究的方法比较包括所有84个亚种的标准菌株在内的130个Bt基因组，研究菌株之间的系统发育关系和遗传差异行及其影响因素，同时研究主效和辅助毒力因子的分布和进化规律，建立杀虫活性谱与毒力因子以及菌株系统发育之间的关系。研究结果发现基于核心基因组的系统发育树显示，Bt主要存在于Clade 1和2中，这两个clade又可进一步分别划分成2个和3个世系。同一血清型的不同菌株往往聚集在一起，显示其具有共同的起源。分离自世界各地的Bt往往交叉分布，提示Bt的分布并不具有地域特异性。一共预测到了454个cry基因，来自已报道的74个家族中的36个，cry1, cry2和cry9类基因占据60%以上。此外，还预测到101个编码营养期杀虫蛋白(Vip)的基因，以及26个Cyt蛋白基因。而且，大多数的Bt菌株含有两个及以上的毒素基因，进化上接近的菌株往往由相似而不相同的毒素基因组成。毒素共存网络显示，同时存在于同一网络中的毒素往往具有相似的靶标昆虫。对鳞翅目昆虫有活性的毒素Cry1、Cry2、Cry9和Vip3位于同一网络中，对双翅目昆虫有毒杀作用的蛋白Cry4和Cyt2则位于另一网络之中，可以毒杀鞘翅目昆虫的毒素Cry3、Cry8和Vip1/Vip2，以及杀线虫的Cry5、Cry6和Cry55则分别聚集在两个不同的网络中。携带最小复制子orf156/orf157的质粒仅仅存在于Clade 2中的Bt菌株中，并且与Bt毒杀鳞翅目和双翅目昆虫的活性存在相关性，因此，我们推测这类复制子在Clade 2中典型Bt的形成过程中起着至关重要的作用。本项目揭示的病原细菌的这种形成和进化方式代表了一种的不同于高等动物病原细菌进化的新模式。