根际益生菌SQR9特异基因岛合成新型天然活性物质分析及其参与生物膜形成的自噬作用机制

Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPRs) play important roles in plant growth and health, application of PGPRs is one of a promising approach to reduce the chemical fertilizer and pesticide input in agriculture. The plant beneficial effects of PGPRs depend on their efficient colonization of rhizosphere, which was closely related with their capacities to form biofilm. Cannibalism plays important role in the process of microbial biofilm formation, but the detailed mechanism still need to be explored. This proposal will focus on the PGPR strain Bacillus amyloliquefacien SQR9, which was well-characterized in our lab and applied widely in agricultural production as the microbial fertilizer. Our previous research found that strain SQR9 harbors a unique genomic island, which has the domains of hybrid PKS-FAS, and this genomic island encoded a fatty acid with novel chemical structure and antibacterial activity against phylogenetically closely related microbes. This genomic island also affords strain SQR9 self-immunity to this self-produced fatty acid. This proposal hypothesize that the unique genomic island encoded fatty acid is the toxin playing the cannibalism role in the biofilm formation process of SQR9. Based on the obtained data, we will further explore the molecular gene pathway of this fatty acid synthesis, elucidate the self-immunity mechanism, and finally reveal the cannibalism mechanism involved in SQR9 biofilm formation and mediated by this fatty acid. This research will provide the theoretical instructions for improving the root colonization and agricultural application of B. amyloliquefacien SQR9.

根际促生菌对植物生长和健康发挥重要影响，是实现我国农业“减肥减药”的主要途径之一。根际促生菌应用效果依赖于其在根际的高效定殖，而其根际定殖与生物膜形成能力紧密相关。自噬作用在微生物形成生物膜过程中发挥重要功能，但自噬作用的具体机制仍待探索。本申请以研究深入并广泛应用的根际促生解淀粉芽孢杆菌SQR9为材料，前期研究发现其包含一个特有的基因岛，该基因岛具有聚酮和脂肪酸合酶结构域，编码合成具有同种微生物拮抗活性的新型结构脂肪酸，该基因岛也赋予SQR9对该活性物质的自身免疫能力。本申请推测SQR9特有基因岛编码合成的新型活性物质是其生物膜形成过程中发挥自噬作用的毒素，将进一步研究该自噬毒素合成的分子途径，阐释菌株对该物质自身免疫的机理，解析该物质介导SQR9生物膜形成自噬作用的分子机制。研究结果将为深入揭示SQR9生物膜形成调控机制、增强其在根际的定殖能力、更好的发挥其农业应用效果提供指导。

根际促生菌对植物生长和健康发挥重要影响，是实现我国农业“减肥减药”的主要途径之一。根际促生菌应用效果依赖于其在根际的高效定殖，而其根际定殖与生物膜形成能力紧密相关。自噬作用在微生物形成生物膜过程中发挥重要功能，但自噬作用的具体机制仍待探索。本项目以研究深入并广泛应用的根际促生芽孢杆菌SQR9为材料，发现其包含一个特有的基因岛，该基因岛具有聚酮和脂肪酸合酶结构域，预测编码合成新型结构物质，该基因岛也赋予SQR9对该活性物质的自身免疫能力。推测新型拮抗活性物质是SQR9生物膜形成过程中发挥自噬作用的毒素。本研究鉴定了调控自噬作用并具有拮抗活性的新结构代谢物，解析了完整的生物合成途径，由I型脂肪酸合成酶（fatty acid synthase，FAS）和I型聚酮合酶（polyketide synthase，PKS）形成的杂合非核糖体途径合成，鉴定的两个新结构的抗菌活性物质，对芽孢杆菌具有特异的杀菌活性，对于食品工业上由于形成芽孢难以杀灭的芽孢杆菌具有很好的效果，具有食品防腐应用价值。阐释了芽孢杆菌SQR9自身合成的拮抗活性物质诱导ABC转运蛋白表达的机制以及自我免疫的机理，发现菌株SQR9生物被膜形成过程中，由基因岛GI3介导的自噬的发生依赖于该活性物质BAs、两组分系统OmpS-OmpR、以及负责自我免疫的ABC转运蛋白BnaAB，BAs通过激活体内OmpS-OmpR的磷酸化诱导免疫基因bnaAB的转录以达到自我保护的目的。活性物质BAs介导的惩罚系统增强芽孢杆菌生物被膜群体的稳定性和适应性。菌株SQR9生物被膜中存在合作和欺骗现象，生物被膜群体分化为胞外基质生产者（合作者）和非生产者（“类欺骗者”）。合作者合成BAs以惩罚不产生胞外基质的“类欺骗者”。基因岛GI3的惩罚系统不仅提高了菌株SQR9胞外基质的产量，还提高了其他公共产物如蛋白酶和铁载体的产量，从而提高了SQR9群体在不同胁迫下和在植物根际的稳定性和生态适应性。研究结果为增强芽孢杆菌的根际定殖提供理论基础，提高植物益生芽孢杆菌的农业应用效果，促进化肥减施增效和农业可持续发展。