苏云金芽胞杆菌LM1212菌株和突变株的全基因组序列比较分析

【背景】LM1212菌株是昆虫病原菌苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)中的一员,其芽胞和晶体分别产生于芽胞形成细胞和晶体产生细胞中,具有独特的细胞分化表型。与野生株LM1212相比,突变株LM1212-DB芽胞细胞比例明显降低并产生更高比例的晶体产生细胞,这使得LM1212-DB菌株成为研究晶体产生细胞形成机制和提高菌株杀虫活性的绝佳实验材料。【目的】比较LM1212菌株和LM1212-DB菌株的基因组差异,以便于揭示导致这两个菌株表型差异的原因。【方法】利用单分子测序技术(single molecular real-time,SMRT)和Pacbio RS II测序平台对两个菌株进行全基因组测序,对染色体和质粒、双组分信号系统和插入序列等进行差异分析,并构建表型特性相关基因的系统发育树。【结果】基因组分析发现,LM1212和LM1212-DB菌株均含有丰富的插入序列和双组分信号系统,暗示两个菌株极易发生基因重排且具有较强的环境适应性。与LM1212菌株相比,突变株LM1212-DB中发生了染色体和质粒片段缺失、质粒重排、质粒拷贝数变异。进一步分析缺失基因的功能发现,一些环境胁迫响应基因(如sigB)和芽胞形成相关基因(如abrB)等缺失;通过分析质粒拷贝数变异发现,具有增加晶体细胞比例功能的转录因子CpcR所在质粒的拷贝数增加1个,同时对CpcR的进化分析发现,与其亲缘关系最近的基因的从属菌株也产生与LM1212菌株相似的细胞分化表型。这些重要功能基因的缺失和拷贝数变异可能是导致两个菌株表型差异的原因。此外,突变株LM1212-DB缺失I型限制-修饰系统,这使得突变株LM1212-DB与野生菌株LM1212相比具有更好的外源DNA兼容性。【结论】突变株LM1212-DB染色体和质粒的结构变异可能是导致与野生株LM1212表型差异的潜在原因,这将为研究LM1212菌株的晶体细胞分化机制提供指导方向。

苏云金芽胞杆菌LM1212质粒缺失对细胞分化的影响

【目的】苏云金芽胞杆菌LM1212与传统Bt相比,芽胞和晶体形成产生了分化,研究目的是明确质粒缺失对LM1212菌株细胞分化的影响。【方法】采用高温法对含有cry35-like基因启动子与lac Z基因融合质粒的LM(p35'Z)菌株进行内源大质粒缺失。在含X-gal的HCO平板培养初步筛选缺失突变株,进一步提取野生型及突变株的质粒进行脉冲场凝胶电泳分析,并用cry基因引物进行鉴定、激光共聚焦扫描显微镜和光学显微镜观察、芽胞形成率分析及利用SDS-PAGE和LC-MS/MS(Q-TOF)质谱分析质粒缺失对LM1212细胞分化和Cry蛋白表达的影响。【结果】筛选得到两株质粒缺失突变株LM(p35'Z)-W菌株和LM(p35'Z)-DB菌株,在含X-gal的HCO平板上,LM(p35'Z)-W菌株菌落颜色为白色,LM(p35'Z)-DB菌株菌落颜色为深蓝色,说明cry35-like基因启动子活性在这两株菌中受到影响;细胞形态观察发现LM(p35'Z)-DB菌株形成更多晶体产生细胞,LM(p35'Z)-W菌株形成更少晶体产生细胞。SDS-PAGE结果表明LM(p35'Z)-DB菌株Cry蛋白表达量提高,LM(p35'Z)-W菌株Cry蛋白表达量减少。【结论】LM1212质粒缺失可以影响细胞分化和晶体蛋白产量,此发现为深入解析LM1212细胞分化的调控机制和Bt菌株的遗传改良奠定了基础。