施氏假单胞菌A1501非编码RNA RsmX/Y/Z在生物固氮和生物膜形成中的功能研究

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Rsm系统(Repressor of secondary metabolites)是一套在假单胞菌属中广泛存在的参与次级代谢的调节系统,该系统是由RsmA和非编码RNA RsmX/Y/Z组成,其中非编码RNA通过与RsmA蛋白的相互作用抑制了该蛋白的调节活性进而影响了菌株的碳代谢、运动、群体感应、致病性、生物膜形成等许多生理代谢过程。非编码RNA RsmX/Y/Z在不同假单胞菌中的数量是不同的,其表达受到二元组分调节系统GacS/GacA的调控。施氏假单胞菌A1501是一株分离自水稻根际的联合固氮菌,该菌在微好氧的条件下具有较强的固氮活性和环境适应性。通过生物信息学分析,在A1501的基因组中发现了四个RsmX/Y/Z的编码基因(rsmX1,rsmX2,rsmY和rsmZ),这四个非编码RNA在A1501菌生物固氮和生物膜形成中发挥怎样的功能以及这四个非编码RAN之前的关系目前还不清楚。本研究首先对RsmX/Y/Z的表达特性展开研究;然后通过测定野生型和RsmX/Y/Z突变株的一系列生理生化表型明确RsmX/Y/Z在A1501生物固氮和生物膜形成中的功能。主要研究结果如下:  1.运用Northern blot证实了在施氏假单胞菌中存在四个转录大小为100bp-200bp的非编码RNA RsmX1/X2/Y/Z。5’-Race实验确定了rsmX1,rsmY和rsmZ的转录方向和转录起始位点。启动子序列分析发现非编码RNA rsmX1/X2/Y/Z的启动子上均包含调节蛋白GacA的保守识别位点(TGTN12ACA)。qRT-PCR结果表明:与野生型相比,gacA突变株中rsmX1/X2/Y/Z的转录水平都显著下降,说明了这几个非编码RNA的转录受到GacA的调控。  2.构建了rsmX1/Y/Z的缺失突变株(ΔrsmX、ΔrsmY、ΔrsmZ)。生长曲线测定表明rsmX1/Y/Z缺失并不影响菌体的生长。Biolog碳源分析发现:与野生型相比,rsmX1突变提高了菌株对于13种碳源的利用能力,rsmY突变提高了菌株对于9种碳源的利用能力,rsmZ突变则提高了菌株对于12种碳源的利用能力,这一结果表明RsmX/Y/Z在A1501中参与了碳源的利用。  3.固氮酶活测定结果表明ΔrsmZ和ΔrsmY的固氮酶活相比于野生型下降50%以上,并且在ΔrsmZ和ΔrsmY中固氮调控基因nifA以及固氮酶基因nifH的转录水平都发生了大幅的下调,说明rsmY/Z参与A1501的固氮调控过程,这也是目前第一例研究发现的参与固氮调控的Rsm家族的非编码RNA;生物膜测定结果显示:与野生型相比,ΔrsmX生物膜形成能力增强,ΔrsmZ和ΔrsmY生物膜形能力减弱,说明rsmX1/Y/Z可能参与菌株生物膜形成的调控过程。  4.RsmX/Y/Z在施氏假单胞菌中存在功能的协同作用。通过qRT-PCR检测了rsmX1/Y/Z突变株中其他三个非编码RNA的表达变化。结果发现:与野生型相比,ΔrsmX中rsmX2,rsmY和rsmZ的转录水平分别上调,100倍、18倍和5倍,而在ΔrsmY中rsmX2上调2倍,rsmX1和rsmZ的转录水平没有发生显著变化(未达到2倍显著差异),ΔrsmZ中rsmX1和rsmX2的转录水平分别上调了约2倍和3倍而rsmY的表达水平未发生显著变化。我们推测RsmX/Y/Z之间可能存在功能的协同作用,即当一个非编码RNA缺失后,可能会引起其他非编码RNA表达量的增加,进而实现功能的互补,这一结果解释了为什么在A1501菌中会同时存在多个Rsm家族的非编码RNA。  综上所述,施氏假单胞菌A1501中存在四个Rsm家族的非编码RNA,其转录水平受GacA蛋白影响。RsmX/Y/Z在A1501菌碳源利用、生物固氮和生物膜形成中都发挥着重要的作用;此外,RsmX/Y/Z这四个非编码 RNA的表达能够相互影响进而形成复杂的协同作用关系。
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本论文围绕施加硼酸来提高植物对U及伴生重金属的富集效率为主要目标,以高生物量铀富集植物紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、酸模(Rumex acetosa L.)和菊苣(Cichorium intybus L.)为试验材料,在铀尾矿库污染区进行实地实验,分析施加硼酸对紫花苜蓿在铀及伴生重金属胁迫下的生长指标和生理生化指标等抗逆特征和耐受性能,以及紫花苜蓿、酸模和菊苣3种植物对各元素的