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課題組,在微生物基因組領域的《Pathogens》發表研究成果!該研究從藏紅花的根際土壤中分離得到了銅綠假

在微生物基因組領域的《Pathogens》發表研究成果!該研究從藏紅花的根際土壤中分離得到了銅綠假單胞菌YY322,通過拮抗實驗發現該菌株對藏紅花的病原菌具有較強的拮抗,全基因組測序揭示了該菌株在植物生長促進和生物防治機制中的作用,為銅鋁假單胞菌作為植物促生菌用於藏紅花生産提供了證據,為微生物肥料的開發利用奠定了理論基礎。

研究背景

藏紅花是中國一種重要的藥用植物,具有活血化瘀、涼血解毒、緩解抑鬱、鎮定神經的功效。由於藏紅花産量低、價值高、價格昂貴、被稱為“紅色黃金”。目前上海崇明島可以廣泛種植藏紅花,但由於長期連作等因素,許多球莖已經腐爛,導致藏紅花産量和品質下降。有研究表明,植物根際土壤環境獨特,大量微生物聚集在該區域,為植物的生長髮揮著重要作用。從根據土壤中目前已經分離除大量具有增長植物養分吸收和免疫功能的植物促生菌(PGPR),其中假單胞菌是一種廣泛分佈于自然界的專性需氧革蘭氏陰性桿狀細菌,其生長迅速,能適應自然環境,而且還能分泌一系列代謝物,有效地拮抗植物病原體的發生和發展,幫助植物吸收和利用營養物質。本研究從藏紅花根際土壤中分離得到了85株細菌,其中YY322菌株對藏紅花5種病原菌具有較好的拮抗作用,結合生理生化試驗和分子生物學鑒定,確定該菌為銅綠假單胞菌。通過全基因組測序分析,進一步探索其拮抗和促生長機制。


研究材料與方法

1.實驗材料:藏紅花根際土壤中分離得到的通路假單胞菌YY322分離株

2.測序平臺:Illumina Novaseq+Pacbio

3.分析內容:細菌完成圖測序、16S進化樹構建、次級代謝産物基因簇分析、菌株形態和生理生化實驗等。


研究結果

1.拮抗細菌的分離和篩選

從藏紅花根際土壤中分離得到85株細菌,經過多次篩選,菌株YY322的拮抗效果最好,對尖孢鐮刀菌(F.oxysporum)、茄病鐮刀菌(F.solani)、檸檬黃青黴(P.citreosulfuratum,)、橘青黴(P.citrinum)和唐菖蒲菌(S.gladioli)的抑制率分別為73.17%、62.20%、23.16%49.17%和79.76%。實驗發現不僅病原菌的生長受到了明顯的抑制,菌株YY322的形態特徵與正常狀態相比也發生了明顯的變化,這表明該菌株可能産生了一些未知的抗真菌物質。

圖1:菌株YY322對PDA培養基上培養1 ~ 2周的5種病原菌的拮抗作用


2.菌株YY322的SEM和TEM相互作用研究    

SEM顯示,在菌株YY322作用下,鐮刀菌菌絲和分生孢子與對照組相比發生了顯著變化。對照組菌絲圓潤飽滿、形態結構完整、表面光滑、厚度均勻;分生孢子正常紡錘形,中等大小、顯示出良好的生長狀態。菌株YY322侵染的F.oxysporum菌絲大量斷裂、菌絲表面凹凸不平,切分嚴重,頂端發育異常,分生孢子畸形。菌株YY322侵染F.solani後,菌絲嚴重受損,表面收縮,內容物滲漏。

圖2:掃描電鏡下菌絲和分生孢子形態變化的觀察

TEM顯示,對照組菌絲分佈均勻,菌絲呈規則圓形,菌絲邊界清晰。細胞壁和細胞膜保持完整緻密,細胞質分佈均勻,維持正常生長狀態。與對照組相比,菌株YY322作用下鐮刀菌的內部結構受到嚴重破壞。菌株YY322侵染的F.oxysporum菌絲細胞壁破裂,導致內容物外泄,液泡數量減少、體積增大,胞漿渾濁、混亂。侵染的F.solani表現出大量未成熟分生孢子聚集在一起,菌絲切片形狀異常。細胞壁增厚,胞漿混合呈黑色,液泡幾乎消失。

圖3:透射電鏡(TEM)下觀察菌絲內部結構的變化


3.菌株YY322揮發性有機物(VOCs)對菌絲生長的抑製作用

在菌株YY322的培養過程中發現該菌株可以産生一種特殊的氣味,故測試了其VOCs的抗真菌作用,結果表明它對F.oxysporum和F.solani有明顯的抑製作用,抑制率分別為90.24%和89.02%。有趣的是,仍然可以觀察到兩種病原體的少量菌絲擴散到整個平板(圖4)。

圖4:VOCs的抗真菌活性:(A)尖孢鐮刀菌;(B)番茄鐮刀菌(1)對照組;(2)實驗組。


4.菌株YY322的形態鑒定和生理生化實驗

菌株YY322在30℃下孵育24h後LB培養基上的單個菌落幾乎是圓形的,相對扁平,淺黃綠色,不光滑,不透明,邊緣不規則(圖5A)。SEM觀察到菌株YY322呈棒狀,大小約為0.5µm × 2µm(圖5B)。隨後,菌株YY322根據其16S rDNA序列系統發育樹(圖6)鑒定為P. aeruginosa,保存在GenBank中,登錄號為MZ026485,最後通過生理生化試驗確認菌株YY322為P. aeruginosa。

圖5:YY322菌株的形態:(A)菌落形態;(B)微觀形態

圖6:YY322菌株16S rDNA序列系統發育樹

表1:菌株YY322的形態、生化、植物促生和拮抗活性

對菌株YY322進行生理生化實驗分析,結果發現該菌株:1.表現出較強的蛋白酶活性和較弱的葡聚糖酶活性,但纖維素酶和幾丁質酶活性缺乏;2.能固定氮,溶解有機磷酸鹽和無機磷酸鹽,産生鐵載體和NH3,但不溶解鉀,不産生IAA和ACC脫氨酶。


5.菌株YY322的全基因組測序

全基因組測序得到一條環狀的、大小為6382345bp、GC含量為66.47%的染色體,預測得到了5809個編碼基因、64個tRNA、12個rRNA、75個其他ncRNA和7個CRISPR結構。在GO、KEGG、eggNOG數據庫分別預測到了4377、3192和5254個編碼基因。GO註釋得到的途徑包括生物過程、分子功能、細胞、生物合成過程、細胞氮化合物代謝過程、細胞成分和離子結合。eggNOG分類註釋顯示,90.45%的蛋白編碼基因可以被註釋到,有555個基因未被註釋到。其轉机錄基因最為豐富,有455個,佔7.83%;其次是調節氨基酸運輸和代謝的基因有436個,佔7.51%。KEGG通路的8種分類中,其中蛋白家族:信號傳導和細胞過程、遺傳資訊處理、代謝)中包含的基因數量最多,其次是代謝相關的通路(氨基酸和碳水化合物代謝)。

圖7:菌株YY322的全基因組圈圖

圖8:各個數據庫的註釋結果

CAZymes分析表明糖基轉移酶(GTs;40個基因)家族是主要分類,其次是碳水化合物酯酶(CEs;34個基因)和糖苷水解酶(GHs;33個基因)。antiSMASH分析結果表明,菌株YY322編碼15個次級代謝産物生物合成基因簇(BGCs),包括4個NRPS、2個NRPS-like、2個RiPP、2個phenazine、一個T1PKS、一個T3PKS、一個氧化還原輔助因子、一個硫肽類和一個倍他內酯。其中3個與編碼coelibactin、綠膿菌青素和l -2-氨基-4-甲氧基-反式-3-丁烯酸的基因具有100%的相似性(表2)

表2:菌株YY322的次級代謝産物基因簇預測結構


研究結論

1.研究發現通路假單胞菌可以作為藏紅花病原菌的生防劑,初步試驗表明其具有PGPR性狀;

2.本研究首次報道了銅綠假單胞菌對 P. citreosulfuratum, P. citrinum和S. gladioli具有拮抗作用。

綜上所述,認為菌株YY322可以發展成為藏紅花微生物肥料,後續會繼續通過室內和田間試驗進一步驗證菌株YY322的拮抗和PGPR作用。



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