苏云金芽胞杆菌Sigma 54因子调控的代谢途径与Cry蛋白产量的关系

Bacillus thuringiensis, as a biocontrol bacteria against important pests, can produces the insecticidal Cry proteins. Cry protein production is a key factor in commercial application of Bacillus thuringiensis strains. Previously study in our group indicated that Sigma 54 factor can affect Cry protein production in Bacillus thuringiensis.Enhancer Binding Proteins ( EBPs) are essential for the transcription controlled by Sigma 54 factor, not like Sigma 70 factor, which regulates many genes invovled in variou nitrogen and carbon compound metabolisms. .Relationship among Sigma 54-dependent genes, EBPs, and metabolism pathways in Bacillus thuringiensis will be performed in this studay. To elucide the function and regulation of Sigma 54 factor, the metabolism pathways related to Sigma 54-dependent genes, regulation network between 8 EBPs and Sigma 54-dependent genes, and the Simga 54-regulated key metabolism pathways invovled in Cry protein production in Bacillus thuringiensis will be determined. All achievements in this study will enrich fundermental theory in microbial metabolism and regulation, and promote research and development of new types of biopesticides. All findings will provide new insight into production process of biopesticides and a new pathway for a combination of theory in microbial metabolism and practice.

防治害虫的重要生防细菌-苏云金芽胞杆菌主要杀虫成份是Cry蛋白，Cry蛋白产量是该菌生产应用过程中的关键因素。本项目组前期发现Sigma 54因子能够影响Cry蛋白产量。Sigma 54因子不同于Sigma 70，其起始转录需要增强子结合蛋白（EBPs）, 主要调控多种氮源和碳源代谢途径相关基因。.本项目拟通过研究Sigma 54因子在苏云金芽胞杆菌中控制的基因、EBPs和代谢途径之间的关系，解析Sigma 54控制基因及其相关的代谢途径，解析该菌中8种EBPs调控的Sigma54控制基因，明确影响Cry蛋白产量的关键代谢途径，从而阐明苏云金芽胞杆菌Sigma 54的功能及调控机制。本项研究成果将丰富微生物代谢与调控研究的基础理论，为新型微生物农药研制提供理论支撑，同时为微生物农药生产工艺提供有价值的线索，进而为微生物代谢基础理论与实际相结合开辟新途径。

本项目组前期发现Sigma 54因子能够影响Cry蛋白产量。Sigma54因子不同于Sigma 70，其起始转录需要增强子结合蛋白（EBPs）, 主要调控多种氮源和碳源代谢途径相关基因。本项目通过研究Sigma 54因子在苏云金芽胞杆菌中控制的基因、EBPs和代谢途径之间的关系，解析了Sigma 54控制基因及其相关的代谢途径，并解析了该菌中8种EBPs调控的Sigma54控制基因。转录组分析表明，255个基因在sigL突变体中被下调表达，121个基因被上调表达，这些基因大多数编码未知功能的蛋白。数量最多的三个类别是：氨基酸代谢、碳源代谢和运输系统；其它的基因与芽胞形成和信号传导机制相关。生物信息学和启动子活性分析表明，有11个基因的转录直接受Sigma54的控制。在Bt HD73全基因组中，一共有8个EBPs，对EBPs所在基因簇可能参与的代谢途径进行了分析，目前已发现GabR参与γ-氨基丁酸代谢、SoxR参与肌氨酸代谢途径、KamR参与赖氨酸代谢途径。RocR可能参与精氨酸代谢，AcoR参与3-羟基丁酮的代谢，BkdR参与支链脂肪酸的合成途径，LevR可能参与纤维二糖和地衣多糖合成途径，PrdR参与的代谢途径未知。rocR、kamR和soxR基因的缺失对芽胞形成率有较弱的影响； rocR、prdR、kamR、acoR、bkdR和levR基因的缺失对菌体的运动能力有明显影响；sigL基因的缺失造成Cry蛋白产量下降，而8个EBPs基因的缺失均对Cry蛋白产量无明显影响，说明Sigma 54 对Cry蛋白产量的影响不是仅通过一个EBP 调控的代谢途径引起的，可能是通过多种代谢途径共同作用的结果。对肌氨酸代谢、赖氨酸代谢、3-羟基丁酮代谢和支链脂肪酸代谢的转录调控进行了精细的解析，这四个代谢途径的转录受Sigma54的控制，并受SoxR、KamR、AcoR和BkdR的调控。