专题研究|生防菌的适应性机制

今天给大家分享的内容是生防菌的适应性机制,关于细菌不同方向的研究思路大家可查看我们的公开课第二讲-细菌基因组研究思路和案例分享点击可链接到课程)了解更多。

文章题目Genomic analysis and temperature-dependent transcriptome profiles of the rhizosphere originating strain Pseudomonas aeruginosa M189

背景知识

假单胞菌属(Pseudomonas)是高度多样性的一类细菌,生态位广泛,分布于自然界的各种环境中,如土壤、水体、动植物、人体等,个别种对植物、动物、人具有致病性,如铜绿假 单胞菌(P.aeruginosa)、丁香假单胞菌(P.syringae)、青枯病假单胞菌(P.solanacearum)等。

植物根际环境中营养物质丰富,微生物种类繁多,竞争剧烈。生活在植物根部或根际环境中,促进植物生长的一类生防菌称为PGRPplant-growth-promoting rhizobacteria),PGRP在植物根际的主要作用包括:

1、促进植物生长;

2、抑制土传植物病原菌,包括细菌、真菌。主要机制包括:

A.产生抗生素,抗病毒等物质;

B.刺激植物产生诱导性系统抗性(ISR);

C.影响植物根际微生物组成,对病原菌形成抑制作用。

假单胞菌由于能充分利用植物根际分泌物,具有较快的生长速率,在根际环境中具有较强的生存竞争力,同时具有多种抑制病原菌的机制,且在实验室易于培养及进行各类遗传操作,所以是一类最佳的生防菌。

首先来了解一些基本概念。

基本概念:

水平基因转移(Horizontal or lateral gene transfer (HGT or LGT))是指在差异生物个体之间,或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质的交流。

基因组岛(gene islandGI是有横向起源迹象的一部分基因组(typically > 8kb),一般来源于噬菌体、质粒,以及转座子、整合子元件等,基因岛上往往携带特定的功能基因,可以使细菌获得新的功能,这些功能与细菌的致病性、耐药性、环境适应性等密切相关。

前噬菌体(Prophage——整合在细菌基因组中的温和噬菌体基因组称为前噬菌(prophage,或称为原噬菌体),前噬菌体可分为隐性前噬菌体(缺陷型)和功能性前噬菌体(诱导型),隐性前噬菌体只能溶源性生长(即不能裂解细菌),功能性前噬菌体在环境因素的刺激下可以进入裂菌生长状态,裂解宿主菌,并释放大量噬菌体子代,携带耐药、致病基因的噬菌体侵染其他宿主,从而导致耐药性的大规模传播。目前发现的大多数前噬菌体为隐性前噬菌体。

CRISPR-Cas——广泛存在于细菌和古菌中的获得性免疫系统,由RNA指导Cas蛋白对靶向基因进行降解,用来抵抗外来病毒或质粒的入侵,调控菌群行为和致病性。其中spacer序列会产生对入侵核酸(如病毒、噬菌体)的记忆,当同一核酸再次入侵时,发挥免疫杀伤作用,作用过程一般分三个阶段“adaptation— expression — interference”与基因组的稳定性相关

插入序列(insertion sequenceIS最简单的转座元件,是一种重要的驱动细菌基因组进化的遗传元件,除了作为一种遗传物质横向转移的载体,IS在转移过程中,还可以造成其他形式的基因组变化,如重排、倒置、删除等,导致基因组的不稳定,与基因组稳定性相关

整合子(INTEGRALL——整合子在细菌基因组中是一种功能强大的基因整合系统,可捕获和整合外源性基因,使之转变为功能性基因的表达单位,赋予细菌表型的多样性和对不同环境的适应性,在细菌抗生素抗性基因的获取、表达和传播中发挥了重要作用。整合子由3个部分组成,包括:5’-保守末端(5’-conserved segment5’-CS)、3’-保守末端(3’-conserved segment3’-CS)和两者之间的可变区(variable region)。更多关于什么是基因水平转移(HGT)?如何研究细菌的HGT点击可链接到课程)可点击查看相关公开课内容。

前情提要:

1、core genome中包含的基因主要是与细菌基因组复制、表达等基本生长相关的基因,通过比较基因组分析,关注 core gene,可以挖掘与所有菌株共有表型相关的基因。

2、Accessory gene,即附属基因,其中包含的基因一般与物种特异性表型相关,如特殊的代谢能力,特殊的环境适应性等,这部分基因为菌株适应更多的环境提供了可能性,一般是通过可移动元件进行转移的。

3、同种,但具有不同表型的菌株,在基因组层面的原因,除了与基因序列(种类和数量)有关外,还可能与基因组结构有关,如片段倒置倒置可能倒置基因表达环境的变化,从而倒置表型的不同。

4、一般比较基因组分析从两个方面进行:基因组序列和基因组结构。

5、GIProphage会给细菌提供某些功能基因,使其适应相应的环境,所以一般研究其上基因的功能及稳定性(是否会从基因组上环切出来),CRISPRIS一般与基因组稳定性的维持相关,通过对CRISPR spacer序列分析,可以知道对哪种病毒或噬菌体免疫,而IS序列的存在及转移会为基因组提供进化的种子

这篇文章通过基因组学,同时结合转录组学研究来源于植物根际的铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa M18的环境适应性机制。我们来看看文章的主要结果:

1、通过基因组测序获得一个染色体序列,全长6,327,754bp,共5684ORF(图2)。

2、对基因组可移动元件进行分析,在核心基因组之外发现基因组岛、前噬菌体序列、CRISPRIS序列。对这些元件上包含的基因序列进行分析,在其中两个基因组岛上发现了包含完整亚基的RM系统(限制修饰系统),且通过实验发现,这两个基因组岛是可以环切出M18的染色体的,同时这部分序列与全基因组序列的GC%差异,提示这两个基因组岛可能是近期才插入基因组序列中的。同时,敲除实验证明,RM系统确实具有限制外源遗传物质进入的功能,对于M18菌株维持基因组稳定,以适应环境中各种压力胁迫具有重要功能。

3、除了RM系统外,在这些元件上面还发现了与抗生素合成、糖基化修饰、营养物质分解等相关的功能基因,这些结果说明,P.aeruginosa M18通过基因水平转移获得的这些可移动元件,有助于其对根际环境的适应。

4、CRISPR的间隔序列分析发现,其与已知的原噬菌体序列高度同源,提示该系统可能使得M18较少受到噬菌体的侵染和整合,保证M18在开放、复杂的根际环境中维持基因组的稳定性(图4)。

通过与临床分离得到的致病性P. aeruginosa基因组比较分析,发现:

5、P.aeruginosa M18与其他P. aeruginosa的基因组同源性达90%以上,结果与分类关系一致;

6、相比于其他P. aeruginosa,根际来源的P.aeruginosa M18适应的环境最为复杂,最易受到噬菌体、病毒等外源核酸的入侵,在其基因组中也发现了最多数量的CRISPR和最少的IS序列,提示M18可通过这些元件维持基因组的稳定性。

7、相比于临床分离菌株,M18不含致病性的基因组岛和前噬菌体,这个结果与其弱致病性的表型相一致。

   基因组结构比较分析发现:

8、同种不同株的基因组序列同源性很高;

9、但在结构上存在大片段的倒置现象,这可能是铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)不同菌株或者不同亚型之间产生不同生理变化的原因(表型不同)(图3)。

   根际来源的P. aeruginosa M18(根际最适生长温度28℃)与临床分离株P. aeruginosa(人体最适生长温度37℃)的转录组比较分析:

10、在不同温度条件下,有大量基因发生差异表达,说明不同环境条件(人体 vs 根际)对铜绿假单胞菌转录组的影响明显大于基因组。

11、M18在土壤环境下,基因组岛基因上调表达,而在人体环境下,相应基因不表达,进一步说明基因组岛的获得对M18的环境适应性至关重要。

专题研究|生防菌的适应性机制

专题研究|生防菌的适应性机制

专题研究|生防菌的适应性机制

更多内容请关注《细菌基因组专题公开课》

  • 细菌基因组研究思路和案例分享

  •  细菌基因组测序方式:重测序、扫描图、完成图、转录组如何选择?

  • 什么是基因水平转移(HGT)?

  • 常见的比较基因组分析与哪些?

生物医学科研方法

【预告】如何通过BLAST软件做比较基因组分析?

2020-12-30 17:54:48

生物医学科研方法

R语言 | 绘制群落物种累积曲线

2020-12-30 18:05:06