基本信息
- 项目名称：
- 成团泛菌YS19共质体结构与环境的互作研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 细菌的细胞聚集是一种重要的细菌学生理现象，内生菌在宿主上的定殖往往形成这种聚集状态，聚集后的菌体可能会产生一些在聚集前(单细胞)所无法具有的优势，如代谢复杂底物、抵御生物/非生物的损害以及适应特定环境等。成团泛菌YS19是国内从重要作物水稻分离的内生菌的优势种，成团泛菌形成的共质体聚集结构是内生菌研究中受关注的重要问题，这类共质体结构是研究细菌与植物及环境互作的重要线索。 我们首次发现，成团泛菌YS19的共质体对各种的胁迫压力（如干燥，酸碱变化，重金属，高渗透压）具有很强的抗逆能力，分别比未成团的菌体高约150－500倍，说明内生菌在自然生存环境中以及与宿主互作时，共质体结构在菌体抗胁迫和生存适应性方面可能起了重要作用。 对共质体结构和散生菌体的蛋白进行分析时，我们发现了一种在共质体结构形成时才开始表达的蛋白，称之为SPM43.1蛋白，该蛋白具有极强的耐酸抗逆性，可能与共质体结构的形成，以及成团泛菌YS19在酸性环境下的优势生存相关。
- 详细介绍：
- 植物内生细菌通过内生定殖发挥固氮，合成植物生长激素等作用调节植物的生长，它们的互作机制是内生菌研究的核心问题。水稻内生成团泛菌Pantoea agglomeransYS19是水稻“越富”品种中分离出的优势内生菌，有希望成为植物内生细菌的模式菌株。体外电镜观察 P.agglomerans YS19吸附于水稻根毛区的过程暗示该菌由根毛区进入宿主植物体内，显示出该菌与宿主水稻紧密的相互作用。而P.agglomerans. YS19所特有的共质体(symplasmata）结构，一种与生物薄膜biofilm类似但细胞间联系比biofilm更为紧密的多细胞聚集体结构，可能在YS19与宿主相互作用的适应性中发挥重要作用。本文比较研究了共质体结构与散生菌体对于蔗糖渗透压冲击，重金属离子和干燥处理的抵抗能力差异，结果表明，与以散生状态的菌体相比，在面临逆境时形成共质体结构的菌体抗逆存活能力显著增强。对散生菌体细胞和共质体细胞进行全细胞蛋白电泳，发现SPM43.1 kD周质空间差异蛋白（称为SPM43.1蛋白），对该蛋白进行MALDI-TOF质谱技术和肽指纹图谱鉴定表明，该蛋白与麦芽糖结合周质空间蛋白（Maltose-binding periplasmic protein, MBP）同源，且含有分子伴侣蛋白ClpB的同源序列。纯化的SPM43.1蛋白在酸性逆境中有极强的抗聚沉能力，且其开始表达时间与共质体开始形成的时间一致，从而在分子水平上揭示了SPM43.1蛋白很可能是成团泛菌YS19 共质体结构抵抗恶劣环境的重要生存原因。
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撰写目的和基本思路
- 成团泛菌YS19作为水稻内生菌的优势种，具有固氮、分泌生长素等多种促进水稻增产的功能。YS19形成的独特共质体（一种紧密的细胞聚集体）可能比散菌模式更能抵抗水稻经常面临的逆境，可能对成团泛菌的优势地位有贡献。本作品主要试图考察YS19特殊的共质体结构对菌体面临不良环境时所做的贡献，并进一步探索共质体结构抵抗逆境的蛋白质基础，以期解释成团泛菌YS19成为水稻内生优势菌的进化学意义。
科学性、先进性及独特之处
- 细胞聚集是一种重要的细菌学生理现象，内生菌在宿主上的定殖往往形成这种聚集状态，聚集后的菌体可能会产生一些在聚集前(单细胞)所无法具有的优势。成团泛菌YS19是国内从重要作物水稻分离的内生菌的优势种，成团泛菌形成的共质体聚集结构是内生菌研究中受关注的重要问题，这类共质体结构是研究细菌与植物及环境互作的重要线索。我们首次探讨了共质体结构在菌体抗胁迫和生存适应性方面的重要作用。
应用价值和现实意义
- 本作品发现了共质体很强的抗胁迫能力，进一步探究了共质体抗胁迫的蛋白质分子基础，这对于揭示YS19的共质体成团在与水稻的联合运作模式中所发挥的生物学作用很有价值，为探究共质体这类普遍存在的聚集体在菌体抗逆生存(也即环境适应性)乃至在内生菌-宿主互作机制中的特殊作用，提供了新的研究内容和研究思路。植物内生菌的相关研究对植物微生物学科的基础研究有重要的理论价值，而且对农业可持续发展也有重要的实践意义。
学术论文摘要
- 植物内生细菌通过内生定殖发挥固氮、合成植物生长激素等作用调节植物的生长。水稻内生成团泛菌(Pantoea agglomerans) YS19是国内从水稻“越富”品种中分离出的优势内生菌，具有多种促进水稻生长的作用。本课题探讨了YS19共质体结构形成与环境的互作，发现YS19以散生菌体吸附于水稻根毛区，并可以由此进入宿主体内，而在植物内定殖形成共质体(symplasmata)结构，该结构在YS19与宿主互作适应性中发挥重要作用。本文比较研究了共质体与散生菌体对重金属离子和干燥等处理的抵抗能力，结果表明，形成共质体结构与以散生状态的菌体相比，抗逆存活能力显著增强。对散生和共质体细胞进行全细胞蛋白电泳，发现一个分子量为43.1 kD的周质空间差异蛋白（SPM43.1），对该蛋白进行MALDI-TOF质谱技术和肽指纹图谱鉴定表明，该蛋白与麦芽糖结合周质空间蛋白（MBP）同源，且含有分子伴侣蛋白ClpB的同源序列。纯化的SPM43.1蛋白在酸性逆境中有极强的抗聚沉能力，且其开始表达时间与共质体开始形成的时间一致，说明SPM43.1蛋白很可能与成团泛菌YS19 共质体结构抵抗逆境胁迫存在某种联系。
获奖情况
- [1] 第五届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛获得特等奖。 [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. 内生菌与植物的相互作用: 促生与对非生物胁迫的抗逆. 微生物学通报. 2008, 35(11): 1174-1780. [6] XXX et al. 成团泛菌 YS19 symplasmata结构对菌体抵抗逆境的作用. 微生物学杂志. (2009,出版中)
鉴定结果
- 无
参考文献
- 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] 马元武, 陈翠翠, 冯永君, 等. 周质空间蛋白的抗逆机制, 自然科学进展, 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.
同类课题研究水平概述
- 细菌的细胞聚集是一种重要的细菌学生理现象，内生菌定殖在宿主细胞内通常形成细胞聚集，聚集后的菌体在许多方面，如适应特定环境，代谢复杂底物，以及抵御生物／非生物的损害等方面会具有单细胞所无法具有的优势。成团泛菌YS19是国内从重要作物水稻分离的内生菌的优势种，成团泛菌形成的共质体聚集结构是内生菌研究中备受关注的重要问题，但目前国内外对共质体的研究很少，本研究所得出的结果均为首次发现。生物薄膜是biofilm抗逆研究是目前国际上的研究热点，相关研究集中在biofilm结构本身的物理屏障和内部菌体代谢行为的变化。共质体与生物薄膜biofilm具有结构相似性，并且在面临各种胁迫压力时具有更强的抗逆能力，说明内生菌在自然生存环境中以及与宿主互作时，共质体结构在菌体抗胁迫和生存适应性方面可能具有重要作用。本研究不仅考察了共质体的聚集结构本身的抗逆能力，还更深入的探索了参与共质体形成的每个细胞本身的抗逆能力，发现了特定抗逆蛋白SPM43.1，并对该蛋白进行了功能鉴定，发现该蛋白可能是形成共质体结构和菌体抗逆的分子基础。 本研究从成团泛菌独特的共质体结构和SPM43.1蛋白的分子水平两方面探究构成菌体抗逆生存适应性的生理学本质问题，具有明显的创新性和科研价值。
