苏云金杆菌Bt4.0718不同时期比较转录组揭示芽胞和杀虫伴胞晶体形成机制

【目的】苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)在形成芽胞的过程中产生大量杀虫晶体蛋白(insecticidal crystal proteins,ICPs),是目前应用最广泛、最安全的微生物杀虫剂的主要菌株资源。本研究旨在比较Bt 3个重要时期的转录组,进一步探究芽胞和杀虫伴胞晶体的形成机制,为高效工程菌的构建奠定理论基础。【方法】选取高毒力Bt4.0718菌株营养生长中期(T1-10h)、芽胞形成前期(T2-20 h)、芽胞形成后期(T3-32 h)进行比较转录组分析,对代表性差异基因进行实时荧光定量PCR(real-time fluorescence quantitative PCR,qRT-PCR)验证、特定功能基因的敲除和表型分析验证。【结果】差异表达基因数量分别为2147个(T2/T1)、1861个(T3/T1)、1708个(T3/T2)。T1时期,培养基中营养相对丰富,主要为芽胞和杀虫伴胞晶体形成做准备。芽胞形成重要调控基因kinA/D、spo0A/F、sigE高水平转录对菌体的生长发育具有重要作用,Cry1Ac、碳源、能源贮藏物聚-羟基丁酸(poly-hydroxybutyric acid,PHB)和羟基丁酮(acetoin)也已开始转录。芽胞和ICPs的大量形成在T2和T3时期,相关基因的转录水平T2比T3时期高。T2对比T3时期,芽胞核/衣/皮质(spore core/coat/cortex)、芽胞萌发受体蛋白(germination protein)和芽胞形成的Ⅱ-Ⅵ阶段相关基因(spoⅡ-spoⅥ)在T2时才开始大量转录,为3个时期的最高水平;相应的糖类、氨基酸、脂质代谢,能量、核酸、多肽代谢、次级产物生成和环境适应系统等复杂网络均表现出差异;另外,作为营养信号刺激性生理过程,双组分信号转导系统(two-component signal transduction system,TCS)和ABC转运系统在芽胞形成和ICPs的转录表达过程中发挥重要作用,转录水平具有显著差异。【结论】随着芽胞和杀虫伴胞晶体的形成,营养成分逐渐匮乏,sigB、sigW和sigM的高效表达有助维持细胞壁的稳定和对环境变化的抗性;小热激蛋白Hsp20和Hsp20B作为分子伴侣蛋白对维持胞内稳态也十分重要,T2、T3时期高水平转录可能有助于芽胞形成和ICPs表达。