苏云金芽胞杆菌H-血清型决定的遗传基础研究

As one of the most import identification and typing methods for bacteria, flagella (H-) serotype has been replaced by the analysis of gene cluster encoding flagella, because of the complexity for implement of H-serotype typing. But the new methods are hampered for the improvement of their sensitivity and accuracy because the detail about the H-serotype determined is not clear, which impede them used as widely as possible. In this study, we focus on the genetic basis of the H-serotype in Bacillus thuringiensis (Bt). This kind of bacteria were widely used as microbial insecticides, because their special toxicities against many agricultural pests. We plan to use the Bt strains including those of antisera standard from each serotype and some from unknown serotypes with genome sequenced in our previous researches as materials. Different omics methods and experimental tests were used to study the compositions of H-antigens and the relationships between the structures of H-antigens and H-serotypes, and the details determining the differences among different serotypes. Finally, based on the results above, we plan to construct a new typing system for Bt which can be used as an efficient tool for Bt resources mining. The research will provide a systematic fundamental basis of the composition of bacterial H-antigen and an example that how build an effective typing system in bacteria.

鞭毛(H-)血清型是细菌鉴定分型的重要手段之一，但是由于其操作繁琐，已逐渐被基于分析鞭毛抗原决定基因多样性的方法取代。由于目前仅限于分析组成鞭毛丝的亚基蛋白基因，对于H-血清型具体决定因子的研究并不透彻，使得这些方法的分辨率与准确率有限，无法大规模使用。本研究使用对环境友好，且被广泛应用的微生物杀虫剂——苏云金芽胞杆菌(Bt)为模型，研究H-血清型的决定因子。本项目拟以本课题组完成测序的Bt所有标准血清型菌株以及部分血清型未知的菌株为对象，以多重组学与实验验证相结合的方法研究H-抗原的组成，以及不同抗原组成与血清型的关系。从而揭示H-血清型的决定因子，并依此构建新型的Bt资源的鉴定分型系统。本研究将发现H-血清型的遗传决定基础，揭示细菌H-抗原决定的普遍规律，也为构建高效的细菌分型鉴定系统提供依据。

由于长期使用导致昆虫抗性的产生以及新型害虫造成更大的危害，更多Bt资源的挖掘一直备受研究者关注。而高效的分类鉴定系统是新型Bt资源挖掘的关键。传统的基于H-抗原免疫反应的H-血清型分型手段曾被广泛应用于Bt菌株的分类与鉴定，然而这种方式由于操作繁琐已被停止使用。本研究拟从多个层面探究Bt H-抗原的遗传决定因子，从而为开发高效的Bt分类鉴定系统提供理论基础，也能够为其他利用H-血清型进行分类和鉴定的细菌提供依据。本项目实施后主要研究结果如下：（1）Bt及其所属的蜡状芽胞杆菌群的鞭毛合成基因簇存在丰富的多样性。Bt鞭毛蛋白的基因序列和拷贝数能够部分反映其H-抗原的多样性，预示着Bt不同的H-抗原的形成受多个层次的影响。（2）包括前期证明无鞭毛结构在内的所有Bt菌株的鞭毛蛋白基因都能够正常转录，预示着Bt的H-抗原决定发生在基因表达的其他层次。（3）尽管许多Bt基因组中存在多个拷贝的鞭毛蛋白合成基因，然而一般的菌株只表达其中一种，说明翻译水平对于H-抗原组成的决定至关重要。（4）鞭毛蛋白合成基因序列上相似而血清型不同的Bt菌株所编码的鞭毛蛋白翻译后修饰位点存在较大差异，预示着翻译后修饰对于这些Bt的H-抗原组成起着决定性作用。（5）不同血清型亚型的H-抗原组成多样性在序列上主要由鞭毛蛋白基因的V区决定，在调控上主要在翻译和翻译后水平受到影响。本研究从基因水平、转录水平、翻译后水平和翻译后修饰水平对不同血清型Bt菌株的H-抗原决定因子进行了分析和推测。揭示了不同血清型Bt菌株鞭毛蛋白基因的表达情况及可能决定H-抗原种类的位点、序列和翻译后修饰位点，也发现了可能影响H-血清型的其他基因，为Bt H-血清型分型系统的完善及其他菌种的分类提供了新的思路和见解。同时，基于这些规律，最终我们开发出了适用于快速高效鉴定Bt的新型分型系统，加速了Bt资源的挖掘与应用。