迄今为止,芽胞杆菌(spore-forming Bacilli)包括729个种,分布在7个科。其中,现已发现具杀线虫活性的有47个种,分布在芽胞杆菌科(Bacillaceae)、类芽胞杆菌科(Paenibacillaceae)、巴斯德芽菌科(Pasteuriaceae)等三个科中。本研究从基因组学和代谢组学两个层面研究覆盖芽胞杆菌科和类芽胞杆菌科两个科中30个种的120个芽胞杆菌的杀线虫毒力因子、机制以及杀线虫次级代谢产物。芽胞杆菌能够影响线虫的发育、繁殖和生存,比如杀线虫。然而,尽管很多芽胞杆菌能杀线虫,但它们使用的毒力因子依然是不清楚的。在本研究中,我们收集到覆盖芽胞杆菌目(Bacillales)芽胞杆菌科和类芽胞杆菌科中30个种的120个芽胞杆菌菌株,测定它们的体外杀线虫活性。发现九个种芽胞杆菌,包括苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis)、蜡状芽胞杆菌(B.cereus)、枯草芽胞杆菌(B.subtilis)、短小芽胞杆菌(B.pumius)、坚强芽胞杆菌(B.firmus)、图瓦永芽胞杆菌(B.toyonensis)、球形赖氨酸芽胞杆菌(Lysinibacillus sphaericus)、侧胞短芽胞杆菌(Breviacillus laterosporus)和短短芽胞杆菌(B.brevis)具有高的杀线虫能力,其中苏云金芽胞杆菌的杀线虫能力最高。10种芽胞杆菌在本研究中首次被发现具有杀线虫活性,分别是图瓦永芽胞杆菌、同温层芽胞杆菌、壁画芽胞杆菌、解半乳糖苷芽胞杆菌、脱磷虚构芽胞杆菌、砷虚构芽胞杆菌、幼虫类芽胞杆菌、蜂房类芽胞杆菌、树形类芽胞杆菌和土壤短芽胞杆菌。我们用IlluminaHiSeq2000或HiSeq2500完成了其中115个菌(另外5个基因组可在GenBank中获得)的基因组测序。测序后基因组的平均覆盖度为138.8,拼接并填补后大于500 bp的scaffolds数目分布在54到627之间,包含的scaffolds大小分布在苏云金芽胞杆菌的19,349 bp到巨大芽胞杆菌的2,935,418 bp之间,基因组的GC含量从苏云金芽胞杆菌的34.8%变化到树形类芽胞杆菌的54.53%,基因组大小从同温层芽胞杆菌的3,586,955 bp变化到苏云金芽胞杆菌的6,907,172bp。通过对这120个菌株的基因组测序和分析,鉴定出了丰富的杀线虫毒力因子,这些因子可分为晶体蛋白、化合物、蛋白酶、几丁质酶及其他蛋白等五类。杀线虫毒力因子的分布具有种属特异性,其中Cry与苏云金素存在于高活性苏云金芽胞杆菌中,金属蛋白酶Bmp1、胶原蛋白酶ColB和几丁质酶主要集中于及cereus(Bc)群中;蛋白酶Bae16存在于Bc群、巨大芽胞杆菌、阿氏芽胞杆菌、壁芽胞杆菌、幼虫类芽胞杆菌和土壤短芽胞杆菌中,蛋白酶Bace16存在于地衣芽胞杆菌、萎缩芽胞杆菌、同温层芽胞杆菌和内生芽胞杆菌4个种中,而Bace16与Bae16同时出现在及subtilisB.群。结合这些杀线虫毒力因子和细菌杀线虫活性的分析显示,芽胞杆菌中至少存在四种杀线虫机制,包括晶体蛋白穿孔机制、苏云金素类抑制机制、蛋白酶和几丁质酶降解机制。蛋白酶降解机制中的特洛伊木马机制不仅存在于杀线虫芽胞杆菌中也普遍存在于Bs群,另外只在真菌中发现的几丁质酶降解机制首次在芽胞杆菌中被发现。120个跨不同科的芽胞杆菌有多样化的杀线虫能力,丰富多样的杀线虫毒力因子使芽胞杆菌表现出致病、腐生和寄生的生活方式,表明芽胞杆菌是一个良好的杀线虫细菌资源库和研究宿主与病原菌相互作用的模型,同时遗传背景不同的芽胞杆菌却都表现出杀线虫能力及相似的杀线虫毒力因子,暗示在土壤环境中芽胞杆菌在杀线虫方面具有趋同进化的的现象。一些芽胞杆菌有高的体外杀线虫活性,但是它们仅含有少数蛋白类杀线虫毒力因子,说明还有其他因子参与这些菌株的杀线虫过程。本研究调查了生物来源的杀线虫次级代谢产物并建立了数据库,作为芽胞杆菌次级代谢产物的比对数据库。基于液质联用的代谢组分析结果显示120个杀线虫芽胞杆菌共产生734个次级代谢产物,包括513个非肽类化合物、174个三肽化合物和47个二肽化合物。结合比对数据库和KEGG化合物数据库,我们发现513个非肽类化合物中有225个具有各种生物活性,包括九种具有杀线虫活性的次级代谢产物,分别是塞拉菌素(Selamectin)、扑灭通(Prometon)、苯基乙酸(Phenylacetic acid)、N-二乙基间甲苯酰胺(Diethyltoluamide)、枸橼酸二乙碳酰胺嗪(Diethylcarbamazine)、克鲁塔米通(Crotamiton)、苯甲酸苄酯(Benzyl benzoate)、苯甲醇(Benzyl alcohol)和氨酚喹(Amodiaquine),坚强芽胞杆菌产生的杀线虫次级代谢产物最多,可达5种。芽胞杆菌产生的三肽和二肽化合物,尤其是环二肽在芽胞杆菌杀线虫过程中可能有特殊的作用。研究这些次级代谢产物的合成机制有助于发掘含有这些毒力因子的芽胞杆菌并开发防治植物寄生线虫的制剂。通过本研究,我们了解到苏云金芽胞杆菌、蜡状芽胞杆菌、枯草芽胞杆菌、短小芽胞杆菌、坚强芽胞杆菌、图瓦永芽胞杆菌、球形赖氨酸芽胞杆菌、侧胞短芽胞杆菌和短短芽胞杆菌等九种芽胞杆菌具有高的杀线虫能力,从这些芽胞杆菌中筛选防治植物寄生线虫菌株的几率更高,防治效果会更好。由于不同芽胞杆菌可能含有相似的杀线虫毒力因子和机制,我们可以将筛选出来的杀线虫芽胞杆菌通过不同的方式组合起来使用,达到最好的防治植物寄生线虫效果。