2023-08-21
《Frontiers in Cellular Infection Microbiology》 影响因子：5.7
前言 近日，上海交通大学在环医学领域的《Frontiers in Cellular Infection Microbiology》发表新研究成果！本研究分离出一株一Xoc野生型菌株RS105表型出明显拮抗活性的B. velezensis 504，揭示了B. velezensis对BLS潜在的生物防治机制，并发现该菌是一种多功能植物益生菌。 本研究的细菌基因组完成图和转录组测序和分析由上海派森诺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，但水稻的稳定生产受到各种病害的威胁，如稻瘟病病菌(X. oryzae pv)和水稻细菌性条纹病(BLS)。目前，对BLS的控制主要依靠化学药剂，这些杀菌剂的使用不仅容易引起植物毒性，使病原菌产生耐药性，而且破坏生态环境。因此，生物防治措施得到大力推广，从农业生态环境中筛选拮抗微生物防治BB和BLS的研究已成为一个重要的研究方向。此前研究分离并鉴定了一种对Xoc野生型菌株RS105表现出明显的拮抗活性的菌株B.velezensis 504。在本研究中完成了该菌的全基因组测序，并与相近的B. velezensis菌株进行了比较基因组分析和转录组分析。
研究材料与方法
1.实验材料 菠菜根际土壤样品中分离到B.velezensis 504 2.测序平台 Illumina +Pacbio 3.分析内容 细菌基因组完成图测序、ANI分析、泛基因组分析、Antismash分析、转录组测序等。
研究结果
B. velezensis 504基因组特征及比较基因组学分析
此前从中国福建省三明市西阳村菠菜根际土壤样品中分离出对Xoc具有显著拮抗活性的菌株504，16S rRNA序列比对表明该菌属于B. velezensis。对该菌进行高通量测序发现其染色体长度为3,905,813bp，GC含量为46.60%，预测得到3853个基因、27个rRNA基因、86个tRNA、217个其他非编码RNA；质粒大小为8,564bp，GC含量为39.86%。 图1 B. velezensis 504基因组圈图和比较基因组分析 ANI分析发现B. velezensis 504与FZB42之间的ANI值分别为97.60%和97.77%，504与SQR9之间的ANI值分别为97.56%和97.75%。结果表明，504与FZB42和SQR9之间的ANI值大于95%。504与其他芽孢杆菌单种的ANI值均低于95%的种界阈值，表明504属于B.velezensis，这与16S rRNA测序和比对得到的结果一致。 图2 ANI分析结果 对B. velezensis 504、FZB42和SQR9的全基因组共线性分析表明，大部分基因高度同源，但也存在翻转、转座等基因重排现象，且B. velezensis 504与FZB42的相似度高于SQR9；基因家族分析结果显示这三个基因组有3306个共有基因，并且504具有280个特有基因；Antismash分析发现B. velezensis 504基因组包含14个候选基因簇，其中大乳酸素H、杆菌烯、风霉素、杆菌素、艰难梭菌素和杆菌素合成中的6个簇与B. velezensis FZB42具有100%的同源性，故推测艰难梭菌素和杆菌溶素是B. velezensis 504拮抗Xoc RS105的主要胞外活性分子。 B. velezensis 504比较转录组分析 为了探究B. velezensis 504对Xoc RS105抑菌作用的分子机制，首先测定了Xoc RS105对B. velezensis 504 CFSs的转录应答，并与人工hrp诱导培养基XOM3的转录应答进行了比较。结果发现在6、12和24 h时，分别观察到2,269、1,931和2,209个Xoc RS105温度对B. velezensis 504的CFSs有响应，RT-PCR检测的基因表达水平与处理后6、12、24 h时RNA-Seq检测的变化一致，表明转录组结果的可靠性。同时比较转录组分析表明，有9个基因在三个时间段内持续下调，而6个基因持续上调。 图3 B. velezensis 504 CFSs处理下RS105转录组研究综述 B. Velezensis 504的CFSs影响相关基因表达 为了探索B. velezensis 504 CFSs对Xoc RS105的可能拮抗机制，观察了一些与代谢、细胞过程和信号转导相关的基因的表达，结果发现B. velezensis 504可能通过影响整个代谢途径、跨膜运输、细胞运动、DNA翻译和信号转导来发挥抗菌活性。 图4 用B. velezensis 504CFSs处理下的转录和qPCR分析结果 CFSs对一些主要毒力相关基因表达的影响 为了进一步探讨B.velezensis 504的生物防治机制，观察了DEGs中一些主要毒力相关基因的表达，结果发现B.velezensis 504可能通过下调与T3SS、T2SS、T4P、T6SS、EPS和LPS等毒力因子相关的关键毒力基因来发挥生物防治作用。 图5 RS105毒力基因对B.velezensis 504的转录反应 B.velezensis 504是一种潜在的水稻生物防治剂 利用籼稻IR24、粳稻品种“日本裸”和湖南省籼稻品种“远丰早”3个易感品种进行田间试验，结果表明，B.velezensis 504对IR24具有良好的生物防治作用。与对照相比，504-Pre和504-Tre处理显著降低了水田BB对IR24的严重程度，对“立蓬”的相对防治效率分别为76.75%和76.54%，，对“原丰藻”的相对防治效率分别为78.41%和61.03%，说明504-Pre和504-Tre处理对“立蓬”和“原丰藻”的相对防治效率无显著差异。综上所述，B.velezensis 504是一种很有前途的水稻生物防治剂。 图6 B.velezensis 504生物防治效果以及拮抗实验结果 B.velezensis 504能有效拮抗一些重要的植物病原真菌，促进植物生长 研究了B.velezensis 504对葡萄灰霉病菌、稻瘟病菌、禾谷赤霉病菌和禾谷赤霉病菌的抑制作用。结果表明，在对照培养皿中，所有真菌菌株都能在培养皿的整个表面上扩散，而无论是细菌悬浮液还是B.velezensis 504的CFSs，都能明显抑制其菌丝的生长。促进植物生长的能力实验结果表明，B.Velezensis 504是一种多功能植物益生菌。
结 论
研究表明，B.velezensis 504具有较强的抗菌、抗真菌活性和促进植物生长的特性，是一种潜在的植物病害生物防治资源。此外，转录组分析还揭示了生物防治剂破坏病原菌和干扰细菌生长的机制，为农业生物防治提供了基础。
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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.
