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根际来源铜绿假单胞菌生防株M18全基因组与温度依赖转录组的比较分析研究

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摘要

第一章 文献综述

1.1 假单胞菌

1.1.1 假单胞菌简介

1.1.2 生防假单胞菌

1.2 铜绿假单胞菌简介

1.3 铜绿假单胞菌基因组研究进展

1.3.1 铜绿假单胞菌基因组结构特点

1.3.2 铜绿假单胞菌的已测序基因组信息

1.3.3 铜绿假单胞菌附加基因组的功能

1.3.4 铜绿假单胞菌附加基因组的分类

1.4 铜绿假单胞菌转录组研究

1.4.1 转录组概述

1.4.2 铜绿假单胞菌转录组研究进展

1.5 下一代测序技术—基因组与转录组研究新方法

1.5.1 合成测序法

1.5.2 单分子测序

1.5.3 展望

1.6 细菌中的限制修饰系统

1.6.1 限制性修饰系统简介

1.6.2 可移动的限制修饰系统

1.7 本课题研究目的、内容及意义

第二章 根际来源铜绿假单胞菌M18全基因组测序与分析

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 菌株和培养条件

2.2.2 病原真菌生长抑制

2.2.3 基因组测序方法

2.2.4 基因组注释

2.2.5 基因组比较

2.2.6 进化树分析

2.2.7 基因组岛的鉴定

2.3 结果与讨论

2.3.1 M18菌株优良生防特性

2.3.2 M18菌株全基因组测序和注释

2.3.3 M18菌株基因组特点

2.3.4 M18菌株比较基因组分析

2.3.5 基因组岛和原噬菌体

2.3.6 插入序列和规律成簇的间隔短回文重复序列

2.3.7 生防相关基因簇和产物

2.4 小结

第三章 铜绿假单胞菌株M18和LESB58的致病性和耐药性比较分析

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 菌株和培养条件

3.2.2 致病基因和耐药性基因比较

3.2.3 生物膜形成试验

3.2.4 小鼠肺部急性感染清除

3.3.5 抗菌素最低抑制浓度测定

3.3 结果与讨论

3.3.1 菌株M18和LESB58致病相关基因比较分析

3.3.2 菌株M18和LESB58的生物膜形成能力和急性小鼠肺部感染清除能力比较分析

3.3.3 菌株M18和LESB58的耐药性相关基因比较分析

3.3.4 菌株M18和LESB58的抗菌素抗性谱比较分析

3.4 小结

第四章 根际和人体分离铜绿假单胞菌株的温控转录组比较分析

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 菌株与培养条件

4.2.2 总RNA的纯化

4.2.3 cDNA第一链和第二链一步法合成

4.2.4 aaUTP标记cRNA合成

4.2.5 cRNA纯化

4.2.6 cRNA浓度测定

4.2.7 cRNA样品荧光标记

4.2.8 荧光标记cRNA样品纯化

4.2.9 cRNA样品片段化和芯片杂交

4.2.11 芯片洗涤和扫描

4.2.12 数据分析

4.2.13 荧光定量反转录PCR

4.2.14 基因组比较分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 铜绿假单胞菌株M18和PAO1基因组比较分析

4.3.2 铜绿假单胞菌株M18和PAO1温控转录组总体比较分析

4.3.3 菌株特异调控基因的COG分类

4.3.4 28℃条件下特异性上调的基因

4.3.5 37℃条件下特异性调控的基因

4.3.6 QRT-PCR验证芯片结果

4.4 小结

第五章 铜绿假单胞菌M18中菌株特异性限制修饰基因组岛功能研究

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 菌株和培养条件

5.2.2 基因组比较分析

5.2.3 基因组岛的环切出染色体验证试验

5.2.4 基因组岛限制基因的敲除

5.2.5 质粒转化铜绿假单胞菌试验

5.2.6 大肠杆菌与铜绿假单胞菌质粒接合试验

5.3 结果与讨论

5.3.1 铜绿假单胞菌株M18和LESB58附加基因组比较分析

5.3.2 铜绿假单胞菌株M18基因组岛限制修饰系统序列分析

5.3.3 M18限制修饰基因组岛可移动能力分析

5.3.4 M18菌株RM系统限制酶基因突变株构建

5.3.5 M18菌株RM系统中限制酶基因影响外源质粒转化

5.3.6 M18菌株RM系统中限制酶基因影响外源质粒接合

5.4 小结

总结与展望

创新点

参考文献

附录Ⅰ 符号中英文注释

附录Ⅱ 实验所使用的主要仪器及设备

附录Ⅲ 铜绿假单胞菌M18菌株特异性基因

附录Ⅳ 温控转录组详细结果

致谢

攻读博士学位期间(待)发表的学术论文及奖励

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摘要

假单胞菌M18是本实验室1996年在上海郊区甜瓜根际分离的高产两种抗生素吩嗪-1-羧酸和藤黄绿菌素的植物生防菌,其产品申嗪霉素已广泛应用于我国的植物保护工作中,对于我国粮食生产安全具有重要的保障作用。而本课题组前期研究发现M18菌株与条件性致病菌铜绿假单胞菌遗传背景最为接近,但该菌株又与铜绿假单胞菌在表型和基因调控方式上存在巨大差异,因此阐明假单胞菌M18的遗传组成,对研究其生防机理具有重要意义。
   本论文从基因组、表型、转录组和基因组岛功能等角度,分析了M18菌株特殊基因组的特点,对于环境响应的转录组变化和特定基因组岛的功能,以期发掘该菌株的优良生防功能和独特基因组结构产生的原因,主要结果如下:
   第一、利用下一代高通量测序技术,本文全基因组测序M18菌株基因组,发现M18基因组由一条长6327754bp的环状染色体构成,含有5684个编码基因和80个RNA基因。序列分析显示M18菌株基因组序列与已测序铜绿假单胞菌基因组同源性最高,达到90%以上,并且全基因组比对、进化树分析和COG基因分类比较均显示相同现象,因此将该生防菌株定名为Pseudomonas aeruginosaM18。基因组水平分析发现,相比其它人体分离的铜绿假单胞菌基因组,根际分离的M18菌株基因组具有多个特点,包括含有最多数量的CRISPR和最少的IS遗传元件,有助于维持其基因组稳定。此外,M18菌株附加基因组不含任何临床分离株的致病性基因组岛,由5个基因组岛和2个原噬菌体岛组成,其中含有限制性修饰系统、抗生素合成、糖基化修饰、营养物分解等功能基因,有助于M18菌株的根际环境适应。同时,M18菌株基因组携带5类次生生防相关代谢产物的合成基因簇,也对菌株的生防作用起到重要作用。
   第二、本文通过研究铜绿假单胞菌M18和近源高致病性菌株的致病性基因和耐药性基因,发现两个菌株存在致病基因上存在多处基因差异,在核心基因组中的耐药性基因上差异较小。之后,开展小鼠肺部急性感染竞争和抗菌剂抗性试验,结果显示M18菌株株易于清除,且对庆大霉素和卡那霉素等较为敏感。因此,本章结果显示和耐药性均弱于近源高致病性菌株,提示不同环境进化压力对于铜绿假单胞不同菌株遗传组成和表型的巨大作用。
   第三、采用定制DNA芯片技术,本文检测了根际分离株M18和模式临床分离株PAO1,在各自典型生境温度下(根际温度28℃、人体温度37℃)的转录组变化情况。比较分析发现不同环境条件对于铜绿假单胞菌转录组影响明显大于基因组,不同菌株在适应非原环境条件时,调动更多基因表达以适应新环境条件。此外,结果还显示,根际来源菌株M18在土壤温度下,22个基因组岛中基因表达上调,但在人体环境温度下,却没有发现任何基因组岛中基因被诱导表达,提示附加基因组的表达对于细菌的环境适应性具有重要影响。
   第四、序列分析发现,根际分离铜绿假单胞菌株M18附加基因组由5个基因岛和两个原噬菌体组成,缺少决定人体致病性辅基因岛和噬菌体。M18菌株特有基因组岛MGI-Ⅰ和MGI-Ⅱ分别含有一套含完整亚基的限制性修饰(RM)系统,在近源株没有发现完整RM系统,并且两个菌株的附加基因组具有明显差异。因此,本文首先试验发现两个基因组岛是可以环切出M18染色体,结合GC含量差异暗示这两个基因组岛为新近引入M18基因组中。随后,敲除基因岛上RM系统限制亚基基因后发现这些系统具有限制外源DNA通过转化和接合方式进入细胞的作用,证明这些RM系统具有限制外源遗传物质进入的功能。这些结果提示RM基因组岛对于M18菌株基因组结构形成的重要功能,提示基因组岛在M18菌株维持基因组稳定,以适应环境中各种压力胁迫的重要作用。
   综上所述,本文系统的研究了根际分离铜绿假单胞菌生防菌株的基因组、温控转录组和相关表型,并与其它临床菌株深入比较分析,进一步发现M18菌株特异性基因组岛在其基因组形成中起到的重要作用。结果表明,在根际环境中选择压力下,M18菌株进化出独特的基因组结构和基因表达模式以适应特定环境生存的需要。

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