2023-08-21
《Frontiers in Cellular Infection Microbiology》 影響因子：5.7
前言 近日，上海交通大學(xué)在環(huán)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的《Frontiers in Cellular Infection Microbiology》發(fā)表新研究成果！本研究分離出一株一Xoc野生型菌株RS105表型出明顯拮抗活性的B. velezensis 504，揭示了B. velezensis對BLS潛在的生物防治機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)該菌是一種多功能植物益生菌。 本研究的細(xì)菌基因組完成圖和轉(zhuǎn)錄組測序和分析由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
研究背景
水稻是世界重要的主要作物，但水稻的穩(wěn)定生產(chǎn)受到各種病害的威脅，如稻瘟病病菌(X. oryzae pv)和水稻細(xì)菌性條紋病(BLS)。目前，對BLS的控制主要依靠化學(xué)藥劑，這些殺菌劑的使用不僅容易引起植物毒性，使病原菌產(chǎn)生耐藥性，而且破壞生態(tài)環(huán)境。因此，生物防治措施得到大力推廣，從農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中篩選拮抗微生物防治BB和BLS的研究已成為一個重要的研究方向。此前研究分離并鑒定了一種對Xoc野生型菌株RS105表現(xiàn)出明顯的拮抗活性的菌株B.velezensis 504。在本研究中完成了該菌的全基因組測序，并與相近的B. velezensis菌株進(jìn)行了比較基因組分析和轉(zhuǎn)錄組分析。
研究材料與方法
1.實驗材料 菠菜根際土壤樣品中分離到B.velezensis 504 2.測序平臺 Illumina +Pacbio 3.分析內(nèi)容 細(xì)菌基因組完成圖測序、ANI分析、泛基因組分析、Antismash分析、轉(zhuǎn)錄組測序等。
研究結(jié)果
B. velezensis 504基因組特征及比較基因組學(xué)分析
此前從中國福建省三明市西陽村菠菜根際土壤樣品中分離出對Xoc具有顯著拮抗活性的菌株504，16S rRNA序列比對表明該菌屬于B. velezensis。對該菌進(jìn)行高通量測序發(fā)現(xiàn)其染色體長度為3,905,813bp，GC含量為46.60%，預(yù)測得到3853個基因、27個rRNA基因、86個tRNA、217個其他非編碼RNA；質(zhì)粒大小為8,564bp，GC含量為39.86%。 圖1 B. velezensis 504基因組圈圖和比較基因組分析 ANI分析發(fā)現(xiàn)B. velezensis 504與FZB42之間的ANI值分別為97.60%和97.77%，504與SQR9之間的ANI值分別為97.56%和97.75%。結(jié)果表明，504與FZB42和SQR9之間的ANI值大于95%。504與其他芽孢桿菌單種的ANI值均低于95%的種界閾值，表明504屬于B.velezensis，這與16S rRNA測序和比對得到的結(jié)果一致。 圖2 ANI分析結(jié)果 對B. velezensis 504、FZB42和SQR9的全基因組共線性分析表明，大部分基因高度同源，但也存在翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)座等基因重排現(xiàn)象，且B. velezensis 504與FZB42的相似度高于SQR9；基因家族分析結(jié)果顯示這三個基因組有3306個共有基因，并且504具有280個特有基因；Antismash分析發(fā)現(xiàn)B. velezensis 504基因組包含14個候選基因簇，其中大乳酸素H、桿菌烯、風(fēng)霉素、桿菌素、艱難梭菌素和桿菌素合成中的6個簇與B. velezensis FZB42具有100%的同源性，故推測艱難梭菌素和桿菌溶素是B. velezensis 504拮抗Xoc RS105的主要胞外活性分子。 B. velezensis 504比較轉(zhuǎn)錄組分析 為了探究B. velezensis 504對Xoc RS105抑菌作用的分子機(jī)制，首先測定了Xoc RS105對B. velezensis 504 CFSs的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答，并與人工hrp誘導(dǎo)培養(yǎng)基XOM3的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在6、12和24 h時，分別觀察到2,269、1,931和2,209個Xoc RS105溫度對B. velezensis 504的CFSs有響應(yīng)，RT-PCR檢測的基因表達(dá)水平與處理后6、12、24 h時RNA-Seq檢測的變化一致，表明轉(zhuǎn)錄組結(jié)果的可靠性。同時比較轉(zhuǎn)錄組分析表明，有9個基因在三個時間段內(nèi)持續(xù)下調(diào)，而6個基因持續(xù)上調(diào)。 圖3 B. velezensis 504 CFSs處理下RS105轉(zhuǎn)錄組研究綜述 B. Velezensis 504的CFSs影響相關(guān)基因表達(dá) 為了探索B. velezensis 504 CFSs對Xoc RS105的可能拮抗機(jī)制，觀察了一些與代謝、細(xì)胞過程和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的基因的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)B. velezensis 504可能通過影響整個代謝途徑、跨膜運(yùn)輸、細(xì)胞運(yùn)動、DNA翻譯和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來發(fā)揮抗菌活性。 圖4 用B. velezensis 504CFSs處理下的轉(zhuǎn)錄和qPCR分析結(jié)果 CFSs對一些主要毒力相關(guān)基因表達(dá)的影響 為了進(jìn)一步探討B.velezensis 504的生物防治機(jī)制，觀察了DEGs中一些主要毒力相關(guān)基因的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)B.velezensis 504可能通過下調(diào)與T3SS、T2SS、T4P、T6SS、EPS和LPS等毒力因子相關(guān)的關(guān)鍵毒力基因來發(fā)揮生物防治作用。 圖5 RS105毒力基因?qū)?em style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important;">B.velezensis 504的轉(zhuǎn)錄反應(yīng) B.velezensis 504是一種潛在的水稻生物防治劑 利用秈稻IR24、粳稻品種“日本裸”和湖南省秈稻品種“遠(yuǎn)豐早”3個易感品種進(jìn)行田間試驗，結(jié)果表明，B.velezensis 504對IR24具有良好的生物防治作用。與對照相比，504-Pre和504-Tre處理顯著降低了水田BB對IR24的嚴(yán)重程度，對“立蓬”的相對防治效率分別為76.75%和76.54%，，對“原豐藻”的相對防治效率分別為78.41%和61.03%，說明504-Pre和504-Tre處理對“立蓬”和“原豐藻”的相對防治效率無顯著差異。綜上所述，B.velezensis 504是一種很有前途的水稻生物防治劑。 圖6 B.velezensis 504生物防治效果以及拮抗實驗結(jié)果 B.velezensis 504能有效拮抗一些重要的植物病原真菌，促進(jìn)植物生長 研究了B.velezensis 504對葡萄灰霉病菌、稻瘟病菌、禾谷赤霉病菌和禾谷赤霉病菌的抑制作用。結(jié)果表明，在對照培養(yǎng)皿中，所有真菌菌株都能在培養(yǎng)皿的整個表面上擴(kuò)散，而無論是細(xì)菌懸浮液還是B.velezensis 504的CFSs，都能明顯抑制其菌絲的生長。促進(jìn)植物生長的能力實驗結(jié)果表明，B.Velezensis 504是一種多功能植物益生菌。
結(jié) 論
研究表明，B.velezensis 504具有較強(qiáng)的抗菌、抗真菌活性和促進(jìn)植物生長的特性，是一種潛在的植物病害生物防治資源。此外，轉(zhuǎn)錄組分析還揭示了生物防治劑破壞病原菌和干擾細(xì)菌生長的機(jī)制，為農(nóng)業(yè)生物防治提供了基礎(chǔ)。
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文章索引：Zhou Q, Tu M, Fu X, et al. Antagonistic transcriptome profile reveals potential mechanisms of action on Xanthomonas oryzae pv. oryzicola by the cell-free supernatants of Bacillus velezensis 504, a versatile plant probiotic bacterium[J]. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2023, 13: 1175446.
