基本信息
- 項目名稱：
- 成團泛菌YS19共質(zhì)體結(jié)構(gòu)與環(huán)境的互作研究
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 細菌的細胞聚集是一種重要的細菌學生理現(xiàn)象，內(nèi)生菌在宿主上的定殖往往形成這種聚集狀態(tài)，聚集后的菌體可能會產(chǎn)生一些在聚集前(單細胞)所無法具有的優(yōu)勢，如代謝復雜底物、抵御生物/非生物的損害以及適應特定環(huán)境等。成團泛菌YS19是國內(nèi)從重要作物水稻分離的內(nèi)生菌的優(yōu)勢種，成團泛菌形成的共質(zhì)體聚集結(jié)構(gòu)是內(nèi)生菌研究中受關(guān)注的重要問題，這類共質(zhì)體結(jié)構(gòu)是研究細菌與植物及環(huán)境互作的重要線索。 我們首次發(fā)現(xiàn)，成團泛菌YS19的共質(zhì)體對各種的脅迫壓力（如干燥，酸堿變化，重金屬，高滲透壓）具有很強的抗逆能力，分別比未成團的菌體高約150－500倍，說明內(nèi)生菌在自然生存環(huán)境中以及與宿主互作時，共質(zhì)體結(jié)構(gòu)在菌體抗脅迫和生存適應性方面可能起了重要作用。 對共質(zhì)體結(jié)構(gòu)和散生菌體的蛋白進行分析時，我們發(fā)現(xiàn)了一種在共質(zhì)體結(jié)構(gòu)形成時才開始表達的蛋白，稱之為SPM43.1蛋白，該蛋白具有極強的耐酸抗逆性，可能與共質(zhì)體結(jié)構(gòu)的形成，以及成團泛菌YS19在酸性環(huán)境下的優(yōu)勢生存相關(guān)。
- 詳細介紹：
- 植物內(nèi)生細菌通過內(nèi)生定殖發(fā)揮固氮，合成植物生長激素等作用調(diào)節(jié)植物的生長，它們的互作機制是內(nèi)生菌研究的核心問題。水稻內(nèi)生成團泛菌Pantoea agglomeransYS19是水稻“越富”品種中分離出的優(yōu)勢內(nèi)生菌，有希望成為植物內(nèi)生細菌的模式菌株。體外電鏡觀察 P.agglomerans YS19吸附于水稻根毛區(qū)的過程暗示該菌由根毛區(qū)進入宿主植物體內(nèi)，顯示出該菌與宿主水稻緊密的相互作用。而P.agglomerans. YS19所特有的共質(zhì)體(symplasmata）結(jié)構(gòu)，一種與生物薄膜biofilm類似但細胞間聯(lián)系比biofilm更為緊密的多細胞聚集體結(jié)構(gòu)，可能在YS19與宿主相互作用的適應性中發(fā)揮重要作用。本文比較研究了共質(zhì)體結(jié)構(gòu)與散生菌體對于蔗糖滲透壓沖擊，重金屬離子和干燥處理的抵抗能力差異，結(jié)果表明，與以散生狀態(tài)的菌體相比，在面臨逆境時形成共質(zhì)體結(jié)構(gòu)的菌體抗逆存活能力顯著增強。對散生菌體細胞和共質(zhì)體細胞進行全細胞蛋白電泳，發(fā)現(xiàn)SPM43.1 kD周質(zhì)空間差異蛋白（稱為SPM43.1蛋白），對該蛋白進行MALDI-TOF質(zhì)譜技術(shù)和肽指紋圖譜鑒定表明，該蛋白與麥芽糖結(jié)合周質(zhì)空間蛋白（Maltose-binding periplasmic protein, MBP）同源，且含有分子伴侶蛋白ClpB的同源序列。純化的SPM43.1蛋白在酸性逆境中有極強的抗聚沉能力，且其開始表達時間與共質(zhì)體開始形成的時間一致，從而在分子水平上揭示了SPM43.1蛋白很可能是成團泛菌YS19 共質(zhì)體結(jié)構(gòu)抵抗惡劣環(huán)境的重要生存原因。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 成團泛菌YS19作為水稻內(nèi)生菌的優(yōu)勢種，具有固氮、分泌生長素等多種促進水稻增產(chǎn)的功能。YS19形成的獨特共質(zhì)體（一種緊密的細胞聚集體）可能比散菌模式更能抵抗水稻經(jīng)常面臨的逆境，可能對成團泛菌的優(yōu)勢地位有貢獻。本作品主要試圖考察YS19特殊的共質(zhì)體結(jié)構(gòu)對菌體面臨不良環(huán)境時所做的貢獻，并進一步探索共質(zhì)體結(jié)構(gòu)抵抗逆境的蛋白質(zhì)基礎，以期解釋成團泛菌YS19成為水稻內(nèi)生優(yōu)勢菌的進化學意義。
科學性、先進性及獨特之處
- 細胞聚集是一種重要的細菌學生理現(xiàn)象，內(nèi)生菌在宿主上的定殖往往形成這種聚集狀態(tài)，聚集后的菌體可能會產(chǎn)生一些在聚集前(單細胞)所無法具有的優(yōu)勢。成團泛菌YS19是國內(nèi)從重要作物水稻分離的內(nèi)生菌的優(yōu)勢種，成團泛菌形成的共質(zhì)體聚集結(jié)構(gòu)是內(nèi)生菌研究中受關(guān)注的重要問題，這類共質(zhì)體結(jié)構(gòu)是研究細菌與植物及環(huán)境互作的重要線索。我們首次探討了共質(zhì)體結(jié)構(gòu)在菌體抗脅迫和生存適應性方面的重要作用。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 本作品發(fā)現(xiàn)了共質(zhì)體很強的抗脅迫能力，進一步探究了共質(zhì)體抗脅迫的蛋白質(zhì)分子基礎，這對于揭示YS19的共質(zhì)體成團在與水稻的聯(lián)合運作模式中所發(fā)揮的生物學作用很有價值，為探究共質(zhì)體這類普遍存在的聚集體在菌體抗逆生存(也即環(huán)境適應性)乃至在內(nèi)生菌-宿主互作機制中的特殊作用，提供了新的研究內(nèi)容和研究思路。植物內(nèi)生菌的相關(guān)研究對植物微生物學科的基礎研究有重要的理論價值，而且對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展也有重要的實踐意義。
學術(shù)論文摘要
- 植物內(nèi)生細菌通過內(nèi)生定殖發(fā)揮固氮、合成植物生長激素等作用調(diào)節(jié)植物的生長。水稻內(nèi)生成團泛菌(Pantoea agglomerans) YS19是國內(nèi)從水稻“越富”品種中分離出的優(yōu)勢內(nèi)生菌，具有多種促進水稻生長的作用。本課題探討了YS19共質(zhì)體結(jié)構(gòu)形成與環(huán)境的互作，發(fā)現(xiàn)YS19以散生菌體吸附于水稻根毛區(qū)，并可以由此進入宿主體內(nèi)，而在植物內(nèi)定殖形成共質(zhì)體(symplasmata)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在YS19與宿主互作適應性中發(fā)揮重要作用。本文比較研究了共質(zhì)體與散生菌體對重金屬離子和干燥等處理的抵抗能力，結(jié)果表明，形成共質(zhì)體結(jié)構(gòu)與以散生狀態(tài)的菌體相比，抗逆存活能力顯著增強。對散生和共質(zhì)體細胞進行全細胞蛋白電泳，發(fā)現(xiàn)一個分子量為43.1 kD的周質(zhì)空間差異蛋白（SPM43.1），對該蛋白進行MALDI-TOF質(zhì)譜技術(shù)和肽指紋圖譜鑒定表明，該蛋白與麥芽糖結(jié)合周質(zhì)空間蛋白（MBP）同源，且含有分子伴侶蛋白ClpB的同源序列。純化的SPM43.1蛋白在酸性逆境中有極強的抗聚沉能力，且其開始表達時間與共質(zhì)體開始形成的時間一致，說明SPM43.1蛋白很可能與成團泛菌YS19 共質(zhì)體結(jié)構(gòu)抵抗逆境脅迫存在某種聯(lián)系。
獲獎情況
- [1] 第五屆“挑戰(zhàn)杯”首都大學生課外學術(shù)科技作品競賽獲得特等獎。 [2] XXX et al. In vitro adsorption revealing an apparent strong interaction between endophyte Pantoea agglomerans YS19 and host rice. Curr. Microbiol. 2008, 57: 547–551. [3] XXX et al. Bacterial biofilm and its stress-resistance activity. Microbiology (UK). [2009, Submitted] [4] XXX et al. Stress-resistance activity of symplasmata in Pantoea agglomerans YS19. FEMS Microbiol. Lett. [2009, Submitted] [5] XXX et al. 內(nèi)生菌與植物的相互作用: 促生與對非生物脅迫的抗逆. 微生物學通報. 2008, 35(11): 1174-1780. [6] XXX et al. 成團泛菌 YS19 symplasmata結(jié)構(gòu)對菌體抵抗逆境的作用. 微生物學雜志. (2009,出版中)
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- 1] Feng YJ, Shen DL, Dong XZ, et al. In vitro symplasmata formation in the rice diazotrophic endophyte Pantoea agglomerans YS19. Plant Soil, 2003, 255: 435 - 444. [2] Decho AW. Microbial biofilms in intertidal systems: an overview. Continental Shelf Research, 2000, 20: 1257 - 1273. [3] 馬元武, 陳翠翠, 馮永君, 等. 周質(zhì)空間蛋白的抗逆機制, 自然科學進展, 2008, 18 (8): 841 - 846. [4] Capestany CA, Tribble GD, Maeda K, Demuth DR, Lamont RJ (2008) Role of the Clp System in Stress Tolerance, Biofilm Formation, and Intracellular Invasion in Porphyromonas gingivalis. J Bacteriol, 190: 1436-1446. [5] Fox KS, Burley SK (2000) HDEA, a periplasmic protein that supports acid resistance in pathogenic enteric bacteria. J Mol Biol 295:605-612. [6] Liu Y, Fu XM, Shen J, Zhang H, Hong WZ, Chang ZY(2004) Periplasmic proteins of Escherichia coli are highly resistant to aggregation: reappraisal for roles of molecular chaperones in periplasm. Biochem Biophys Res Commun, 316: 795-801.
同類課題研究水平概述
- 細菌的細胞聚集是一種重要的細菌學生理現(xiàn)象，內(nèi)生菌定殖在宿主細胞內(nèi)通常形成細胞聚集，聚集后的菌體在許多方面，如適應特定環(huán)境，代謝復雜底物，以及抵御生物／非生物的損害等方面會具有單細胞所無法具有的優(yōu)勢。成團泛菌YS19是國內(nèi)從重要作物水稻分離的內(nèi)生菌的優(yōu)勢種，成團泛菌形成的共質(zhì)體聚集結(jié)構(gòu)是內(nèi)生菌研究中備受關(guān)注的重要問題，但目前國內(nèi)外對共質(zhì)體的研究很少，本研究所得出的結(jié)果均為首次發(fā)現(xiàn)。生物薄膜是biofilm抗逆研究是目前國際上的研究熱點，相關(guān)研究集中在biofilm結(jié)構(gòu)本身的物理屏障和內(nèi)部菌體代謝行為的變化。共質(zhì)體與生物薄膜biofilm具有結(jié)構(gòu)相似性，并且在面臨各種脅迫壓力時具有更強的抗逆能力，說明內(nèi)生菌在自然生存環(huán)境中以及與宿主互作時，共質(zhì)體結(jié)構(gòu)在菌體抗脅迫和生存適應性方面可能具有重要作用。本研究不僅考察了共質(zhì)體的聚集結(jié)構(gòu)本身的抗逆能力，還更深入的探索了參與共質(zhì)體形成的每個細胞本身的抗逆能力，發(fā)現(xiàn)了特定抗逆蛋白SPM43.1，并對該蛋白進行了功能鑒定，發(fā)現(xiàn)該蛋白可能是形成共質(zhì)體結(jié)構(gòu)和菌體抗逆的分子基礎。 本研究從成團泛菌獨特的共質(zhì)體結(jié)構(gòu)和SPM43.1蛋白的分子水平兩方面探究構(gòu)成菌體抗逆生存適應性的生理學本質(zhì)問題，具有明顯的創(chuàng)新性和科研價值。
