固氮施氏假单胞菌全局调控因子RsmA参与生物膜形成的调控机理

Biofilm formation plays a crucial role in microbial adaptation to the environment and interaction with host. The global regulator RsmA is known to be involved in biofilm formation as well as other physiological processes including pathogenicity, drug resistance, quorum sensing, etc. The nitrogen fixing Pseudomonas stutzeri A1501, was isolated from rice rhizosphere. Genome analysis identified a RsmA orthologous gene, and the mutation of this gene enhanced the capability of biofilm formation in A1501; however, the underlying mechanism remains unclear. We herein propose a research to: 1) explore the key factors influencing the membrane formation and their roles in the interaction with host rice through measuring the phenotype of both wild type and the RsmA mutant under different conditions; 2) examine the functions of the key genes involved in biofilm formation and their translation characteristics; 3) investigate the target gene(s) of RsmA and the mechanism for it to facilitate the membrane formation via expression profile analysis and protein-nucleotide interaction technique. These findings will provide fundamental bases not only for revealing the regulatory functions of the global regulator RsmA in the biofilm formation of P. stutzeri A1501, but also for establishing the molecular mechanisms of the interaction between nitrogen fixing microbes and their hosts.

生物膜形成在微生物环境适应及其与宿主互作中发挥重要作用。假单胞菌全局性调控因子RsmA被证实参与包括致病性、耐药性、群体感应及生物膜形成等一系列生理过程。固氮施氏假单胞菌A1501分离自水稻根际，基因组分析表明A1501菌含有一个RsmA的同源蛋白，该基因的突变导致A1501菌生物膜合成能力增强，但其调控机制不清楚。本研究拟通过：1）测定野生型和RsmA突变株不同条件下的表型，明确影响生物膜合成的关键因素以及在与宿主水稻互作过程中的作用；2）开展参与生物膜形成的关键基因功能鉴定和表达特性研究；3）采用表达谱分析及蛋白-核酸大分子互作技术研究RsmA的靶标基因以及生物膜形成的调节机制。本研究将为揭示固氮施氏假单胞菌全局调控因子RsmA参与生物膜形成的调控机理以及固氮微生物-宿主联合体系建立的分子机制奠定重要的理论基础。

联合固氮菌不能与宿主形成类似于根瘤的特异组织，只能定殖于植物根表及内根际进行固氮和生长。在建立联合共生的过程中，生物膜发挥重要作用，决定了菌株能否与宿主植物建立高效的联合共生体系。假单胞菌全局调控因子RsmA被证实参与包括致病性、耐药性、群体感应及生物膜形成等一系列生理过程。水稻根际联合固氮菌——施氏假单胞菌A1501基因组中含有一个RsmA同源蛋白，该基因的突变导致A1501菌生物膜合成能力增强，但其调控机制不清楚。本项目围绕A1501菌中RsmA蛋白的功能及调控机制开展研究，取得以下研究结果：.（1）测定了外界环境因子影响A1501菌生物膜形成的规律，发现A1501菌可在0.5 mM铵浓度下形成固氮生物膜。比较了野生型A1501和RsmA突变株在不同培养条件下的生物学表型，明确了胞外多糖是A1501生物膜组成的重要组份，并且发现胞外多糖合成的增多是RsmA突变株生物膜形成能力增强的主要因素；.（2）采用全基因表达谱、蛋白质组及生物信息学方法对RsmA的调控靶标进行了筛选及预测。组学分析显示RsmA作为全局性调控因子，在DNA修复、菌体运动、次生代谢合成等方面具有重要的调控功能，进一步预测了多个具有RsmA保守结合位点的靶标基因；.（3）明确了关键信号分子环二鸟苷酸（c-di-GMP）浓度变化与生物膜合成之间的相互关系，表达纯化了RsmA蛋白，并通过蛋白-核酸大分子互作技术研究了RsmA与靶标基因环二鸟苷酸合成基因sadC、胞外多糖合成sigma因子编码基因algU的互作机制，揭示了RsmA作为RNA结合蛋白，通过与靶标基因mRNA互作影响靶标基因的翻译效率，进而调控生物膜形成的分子机制。.课题执行期间共发表期刊论文7篇，其中在包括美国科学院院刊（PNAS）等SCI杂志发表论文4篇，中文核心期刊3篇；参与外文专著撰写独立章节1篇；获国家发明专利授权3项；参加国际学术会议3次，在15届国际非豆科生物固氮会议暨第十二届欧洲固氮大会上做大会特邀报告。指导博士研究生5名，硕士研究生3名。.本研究将为揭示固氮施氏假单胞菌生物膜形成的调控机制及建立联合固氮菌-宿主高效联合共生体系奠定重要的理论依据。