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土壤生物学与生物化学小单孢菌
小单孢菌属:
生物医学中一种重要的微生物,在生物防除和生质能源领域具有广泛的应用潜力。
关键词:
放射菌类,生物防除,水解酶,次生代谢物质
摘要:
小单孢菌物种一直以来被认为是抗生素以及他们的非正常孢子的重要来源。
然而,对他们损害植物微生物关联我们却是知之甚少,尽管一些研究表明小单孢菌物种具有促进植物生长、活跃植物根系,分解植物细胞壁物质的功能。
通过近年来应用DNA克隆技术和分子系统学技术以及应用全基因组测序对植物关联的报告,使我们对群放线菌更加深入的了解。
转向力的基因组注释小单孢菌属才刚刚起步,这项技术将增大我们对微生物技术的利用。
1.介绍
尽管小单孢菌属长期以来被公认为次生代谢产物的重要来源而且一些数据也积累了这些菌种对土壤生态的重要性,令人惊讶的是,只是在最近小单孢菌属物种对植物的生长和发育的影响才得到公认。
本论文的重点在于这个新发现物种的影响力以及如何应用于生物防治、纤维素生物质和分解为生物燃料,而不是在其他方面的理解。
2008年三个小单孢菌属的基因组被测序并诠释。
还有几个小单孢菌属在管道中以备测序。
小单孢菌属类物种最著名的用途是合成抗生素,特别是体内烯二炔类抗生素和低聚糖抗生素。
因此,他们在医学上的影响是巨大的,而事实上链球菌和小单孢菌物种产生了许多著名的抗生素。
是因为小单孢菌物种含有体内抗生素、庆大霉素和纳他霉素(Berdy,2005)。
小单孢菌物种也产生肿瘤抗生素(lomaiviticinsA、B,,四制癌素,LL-E33288合成物)蒽环类抗生素抗生素。
另外,内生真菌和小单孢菌羽扇豆会产生蒽醌、lupinacidinsA和B,具有抗肿瘤活性(Igarashi等,2007年)。
其他生物活性的分子的物种是由小单孢菌属合成维生素B12(Wagman等,1969)和抗真菌物质(NolanandCross,1988;Ismet等,2004年)。
最近对海洋小单孢菌属物种进行了广泛分布的考察以挖掘他们作为益生菌(Das等,2008年)的潜在用途。
Diazepinomicin是从海洋小单孢菌中分离得到的生物碱类抗生素(Charan等,2004年)。
2.定义的种类、生存方式、生境
在分子生物学和化学成分数据基础上,Stackebrandt等2007年提出由五种不同的子类组成的经典放线菌。
微单孢菌亚目中的微单孢菌科(放线菌目)包含一些除小单孢菌属之外的一些物种,也就是指:
流动放线菌属,指孢囊菌,水生角质菌属,微单孢菌属,青蓝科氏游动菌青蓝亚种(见参考,葛里,1996)。
小单孢菌Orskov(1923年),属革兰氏阳性,化学有机营养菌,有氧的,并与其他放线菌一样具有高mol%G+C基因组含量的特点(Vobis,1992)。
虽然小单胞菌属展示了可观的生理生化的多样性,但在形态系统发育和化学分类中形成了一个良好的标准。
确定的标准可以用来区分至少27种描述物种,包括碳源的使用(戊已糖以及有机酸)生长在不同的媒体,菌丝颜料等(1989年川本)。
孢肽含有细观磷酸二铵,三羟基衍生物和甘氨酸或其衍生。
细胞壁水解物的特点还含有阿拉伯糖,木糖,用这种方式不同于其他放线菌属。
(Holt等,2000)
小单胞菌属展示了一种复杂的生命周期,分离在两基片的菌丝体和孢子中,但没有空中菌丝体产生(Vobis,1992)。
这个物种往往形成模糊的群体,可以与其他放线菌混淆。
事实上,他们在显微镜下的细胞形态类似于其他属小单胞菌属分枝,生产菌丝0.25-0.6微米。
群体可以有各种各样的颜色,包括白色、橙色玫瑰或棕色;色素可能或不会扩散到媒介质。
当变为孢子群体时,几乎所有的物种的单一无性孢子都有突出的角。
孢子形成了长短不一的分支。
(Vobis,1992)(Fig.1A,B)。
单胞菌属广泛地分布在大自然中,居住于沿海沉积物(赵等,2004)、海洋沉淀物(Mincer等,2002;Maldonado等,2009)、泥炭沼泽森林(Thaiwai等,2005)、河漫滩草甸(Zenova和Zviagintsev,2002)、以及植物根际(Merzaeva和Shirokikh,2006)等不同的环境。
该物种的一些成员被发现与植物形成亲密合作的形式。
比如,就从大米根系(Tian等,2007)、小麦根系(Combs和Franco,2003)、固氮植物根瘤的放线菌(Valdes等2005)、欧马桑(Trujillo等,2006)、豆科根瘤植物羽扇豆(Trujillo等,2007)和豌豆大蒜(Carro等,新闻报道)中分离出了小单胞细菌。
这些微生物也生长在除根系外的微生物复合体中。
然而,物种中的小单胞菌仅根据形态并不总是很容易区分。
现在发展史和物种身份辨识无论是从16S核糖体的DNA中派生还是从促旋酶(编码DNA拓扑异构酶)序列分析(Kasai等,2000)中派生都变得更为普遍。
使用促旋酶的优势在于它是比16S核糖体DNA更容易区分的一种小单胞菌属,因为它比rDNA(Kasai等,2000;deMenezes等,2008)有一个更高的分子进化率。
一种潜在的更精确的来确定物种或应变身份的方法是采取多位点序列分型(MLST)或多位点序列分析(MLSA)(Gevers等,2005;Hanage等,2006)。
MLST利用等位基因与少量的家政基因的错配来识别不同物种中的不同菌株,而MLSA则是采用多个蛋白质基因序列来表征更多样化的微生物群。
据我们所知,到目前为止,还没有人尝试用MLST或者MLSA来确定小单胞菌系统,但是随着越来越多的小单胞菌基因组测序和诠释,这是有可能改变的。
3.水解酶生产
通过纤维素的强降解菌、几丁质、木质素、以及其他复合多糖(Erikson,1941;Malfait,1984;McCarthy,Broda,1984;Wilson,1992;Gacto等,2000)使我们对放线菌有了一段时间的了解。
在堆肥堆、腐烂的植物材料,粪肥堆、稻草、秸秆中(Lacey,1997;Godden和Penninckx,1984;Abdulla和El-Shatoury,2007)含有许多对多糖有降解作用的物种。
有些物种甚至寄居在白蚁的肠道或者牲畜的瘤胃中,降解植物细胞壁和纤维,从而为他们的宿主提供炭精(Hungate,1946;Maluszynska和Janota-Bassalik,1974)。
有些甚至降解天然橡胶(Jendrossek等,1997;Rose和Seinbuchel,2005)。
水解酶的生产使得单孢物种在其自然栖息地对有机物的降解发挥积极作用。
瓦尔德斯等2003年描述了一种从含有丰富的纤维素酶和木聚糖酶的腐烂德黑榆树中离析出的新的放线菌的物种,木聚糖酶cellulosilyticaXIL07T,酶对植物材料转化为生物燃料和生物质分解起着重要作用(Carere等,2008)。
生物量崩溃使用相同的方法,但在这种情况下,这种病毒能够使用木聚糖作为唯一碳源(Trujillo等,2006)。
被称为孢马桑从放线菌根瘤植物中分离出出的菌株小单胞菌myrtifolia与被瓦尔德斯等2005年从结节木麻黄中分离出来的固氮株菌株非常相似。
这种病毒能够使用木聚糖作为唯一碳源(Trujilloet,2006)。
我们的初步数据显示,小单孢菌属之应变,孤立木麻黄气性纤维素酶和不只是结节木聚糖酶的活性,而且分泌,果胶和甲壳素故障数据未显示)。
我们正在推出了小单孢菌属白皮云杉基因组小单孢菌属密切相关的L5;瓦尔德斯等,2005)来确定水解酶的基因编码的多少是目前也可以通过是否分泌的双胞胎精氨酸易位(李永达议员)的路径为嗜热生物观测产角质酶XY。
fuscaXY基因组的基因编码的45水解酶,包括潜在(Lykidis等,2007年)。
我们期望找到类似的数目的细胞wall-degrading酶在小单孢菌物种。
我们已经有注释的大量的α-和beta-葡萄糖苷酶木聚糖酶,果胶降解酶。
几丁质是第二个最丰富的多糖在自然和许多放线菌能够降解聚合物。
众所周知小单孢菌被是用于产生几丁质酶的,尽管据报道,黄铜色小单孢菌属活性低(Gacto等。
2000年)。
到目前为止,两种不同的方法已被用来检测在小单孢菌属几丁质酶。
一个研究几丁质降解化验分析不同的环境中细菌的20个不同的地点。
最有力的生产壳质酶放线菌发现了,北里孢菌属链,糖多孢菌属:
诺卡氏菌,Herbidospora小单孢菌属,小双孢菌属,,游动放线菌属更频繁,小单孢菌检测污染环境(Nawani极端,Kapadnis和,2003)。
在另一项研究中,威廉姆森等。
(2000),使用PCR底漆,为了确定一个广泛的几丁质酶的基因,发现几丁质酶序列组出现在6种不同的小单孢菌。
作为小单孢菌基因组上网,更多更多的水解酶,包括几丁质酶,会被发现。
我们的初步调查的基因组中写明ATCC白皮云杉>27029表明至少有四种不同的几丁质酶存在(数据未显示)。
尽管包括物种的小单孢菌陆地放线菌是众所周知的木聚糖酶-和生产纤维素酶,淡水小单孢菌也被证实了德梅内塞斯降解纤维素活动等,2008年)。
用棉花放置在不同深度鱼饵,大量的lake-dwelling小单孢菌株,几个密切相关的活动,以纤维素>。
在实验条件下,M.chalcea已经被证实表现出很强的水解活性lignocelluose稻草条(Abdulla和El-Shatoury,2007)。
能够产生水解酶可以允许这些细菌的成长为腐生菌以及植物内生菌植物器官内。
最近,柯尔比和迈报道了从叶子表面消了毒的都尔巴喜堇菜科南非野生大蒜中分离出了一种叫tulbaghiae的小单孢菌新物种,,有力地证明了这些微生物的内生起源。
小单孢菌能够进入植物组织可以使各个不同种类的植物作为推动细菌(PGPB)。
4.生物防治剂和PGPR制剂
一个主要因素影响植物生长和健康的微生物种群的居住在植物不仅是附生植物内生菌,(Taechowisan2003)许多研究已经牵涉小单孢菌和其他放线菌作为生物因子(El-Tarabily等,1996)、小麦(Combs和Franco,2003)大白菜(李等,2008年)和黄瓜(El-Tarabily等,2009)。
最近,Conn等(2008)显示小单孢菌和其他植物内生放线菌能够抑制病原菌,两者的数量,以及通过激活高差关键基因在系统性的耐药(SAR)或茉莉/乙烯(JA/等)拟南芥。
小单孢菌犀应变EN43诱导SAR及肝癌的几乎没有/等途径的病原体。
然而,在不同病原的挑战,特区或JA/等途径是在孢接种根导致更大的主人阻力。
另外,从文化滤液细胞中的生长在小单孢菌应变EN43要么最小或富有
激活特区及媒介等途径,分别为(表明两套不同的代谢产物合成为赞美了这个放线菌植物防御之路。
是否有这些代谢物的抗生素或其他分子是不为人所知。
在任何情况下,这些研究表明,小单孢菌是一种非常有效的生物剂。
小单孢菌物种也产生抗菌、抗真菌成分,采取行动,保护植物,从病原体.(Shomura等,1983)发现小单孢菌藻。
SF-1917产生抗生素生长的作用,对水稻根辣椒丝核病菌。
从一个隔离红树林
在西马来西亚,根际土壤小单孢菌藻。
这是M39,产生代谢产物的有效稻瘟病水稻稻瘟病病原体。
大量的化合物的提取检测,包括2,原油3二羟基酸、苯乙酸、抗生素、紫霉素A1、A2。
然而,它还不知道是否单一化合物和混合物是需要抗真菌活性。
在自然环境中,它很可能是一个混合的二次产品所需的压制病原体的.早期的研究表明,一个小单孢菌隔离,经酶可以进行生产,细胞壁.樟疫病原体,导致根部腐烂。
而且,当纤维素酶生产协同是用抗菌素产生链中,更多的真菌的菌丝退化(El-Tarabily等,1996)接种与放线菌,植物更积极的影响比单独接种植物生长或未接种的控制。
确切的机制的积极影响是介导尚不完全清楚。
小单孢菌物种也是作为一个PGPB,通过它既能促进Discariatrinervis-Frankia(Solans,2007年)和sativa-Sinorhizobium固氮symbioses(Solans等,2009年),其他放线菌除了小单孢菌物种也能刺激,甚至在紫花苜蓿根瘤形成在场的情况下,氮,但到目前为止还不清楚他们相反小单孢菌物种应变MM18浮的结果有一个明确的正面影响植物生长,初步证据表明浮乙酸和赤霉素(Solans等,2006)。
如果这些激素确实是生产,这使得小单孢菌物种应变MM18假说的Solans(2009),这些放线菌演的水平,在自动调节结瘤。
5.小单孢菌和固氮
在这个过程中,从表面消毒隔离弗兰克氏菌之结节木麻黄收集在墨西哥、不同结肠放线菌对液体的定义了丙酸(DPM)(Guillen等,1993)。
这些细菌的细丝被发现是小直径小于0.5毫米(比弗兰克氏菌丝并没有发展通常存在于弗兰克氏菌固氮泡。
更多的菌株,无法再次感染木麻黄或其它测试放线菌植物在接种(Niner等,1996)。
然而,这些放线菌被发现越长越放在葡萄糖比以及固氮酶活性也展示了丙酸(评估)前高差乙炔降低氧化(等,1996)。
基于PCR-amplifying内部的16SDNA的基因,我们提出了RNA,这些放线菌处在一个分支分开(Niner等,1996年)。
后来,我们表明这些放线菌是由PCR-amplifying固氮菌基因并利用一种同位素稀释法测定表明,细胞15N成立。
从这些放线菌的分离的弗兰克氏菌受到很低DNAeDNA同源性分析,通过它们之间的rRNA16S序列(瓦尔德斯等,2005)。
这些研究表明,小单孢菌列车的L5赤霉素比弗兰克氏菌更密切相关。
同样,(Trujillo等,2006)隔离放线菌植物根瘤中之的一个放线菌产生桔色和显示高容量的降解木聚糖为唯一碳源(见早些章节)。
空中的菌丝也都产生了颜料扩散。
除非你与表型数据的基础上,明确区分量器放线菌前述小单孢菌和存在的问题,提出了一种新颖的物种,小单孢菌作为毕赤酵母从进一步调查,研究小组提出相同的名字,小单孢菌。
两个激活分离菌株固氮根瘤中,人们(L.angustifolius2007)。
类似的情况被瓦尔德斯陈姿株菌株。
(2005),为nifH基因的DNA序列,这是非常相似的弗兰克氏菌从nifHAC14a检测,在这些豆科植物分离出的小单孢菌(M.E.Trujillo,个人通信)。
一个新的固氮分类放线菌孤立的植物根瘤生长在突尼斯紫薇也有报道。
这是一个放线细菌属,占地中间体和小单孢菌弗兰克氏菌分类学地位之间根据、鉴定的基因序列nifH(Gtari等,2007)。
然而,迄今为止nifH以外的其他基因没有被发现,即使我们使用众多变异寻找nifDPCR、nifK,其他两个结构的基因,以及固氮酶(Milani.DeHoff,和Hirsch,未报道过的)。
在这段时间里,我们不理解的原因,未能发现其他以及固氮酶基因分析了小单孢菌基因组从哪个nifHPCR-amplified应该回答这个问题只有我们知道的地方其他案件的发生、固氮分析的基础上,15N增长中,但未氮nif基因的发现,是ther-moautotrophicusUBT1链,栖居在覆盖的(Gadkari等,1992)。
燃烧木炭桩(1992)等。
这个放线菌有一种不寻常的氮、磷、钾和还原系统,它是连接到一氧化碳和依赖氧(Ribbe等,1997)。
如一氧化碳是通过一个非常稳定的三重债券。
因此,这是不足为奇的thermoauto-trophicus。
UBT1能使用它的统筹调整酶分解氮气。
使用固定的三种酶:
St3氮、CO脱氢酶产生自由基,St2、超超氧自由基,那杯子还原酶作为一种固氮酶还原、电子传递到某一MoFeS蛋白的功能,为固氮酶(Ribbe等,1996),考察了不同的基因编码的有限单元存在于脱氢酶[m],但是没有证据赤霉素基因组已发现一个超氧化物还原酶一样,St1-likeSt2或MoFeS蛋白质与固氮酶功能。
6.遗传基因
虽然小单孢菌物种,而闻名于世,他们是次生代谢产物生产孤儿的儿童的研究和发展其基因组的基因分析工具。
在1980年和1990年的,克隆的程序小单孢菌发表了数种。
事实上,许多基因被克隆出来,但最重要的是,这些代表水解酶生产抗生素(Keleman等,1991,林等,1995)。
大量的克隆向量已被描述各种小单孢菌物种(Hasegawa等,1991,李等,2003、2004年),但是到目前为止几乎没有证据显示在文献已表明该放线菌容易转换或可变虽然一些技术改造利用原生质体分离已经出版(1988;Baltz闻山4,Keleman等,1989;李等,2003年),据我们所知,这些程序没有进一步发展和常规应用到小单孢菌转型。
脉冲场电泳显示mchalceaDSM43026直线染色体中的钙。
7.7Mbp(Redenbach等,2000),并在此基础上提出初步结果在协作与路易Tisa新罕布什尔大学的基因组大小,小单孢菌应变,孤立的,从木麻黄结节,估计是墨西哥,Mbp7.0级。
我们从这紧张和脱氧核糖核酸(DNA)提交也从密切相关的赤霉素写明ATCC27029联合基因组研究所的能源部门为排序和初步基因组注释这个基因组大小是6.97Mbp、小尺寸报告青铜小单孢菌DSM43026。
72.86%百分比的GeC,单一的基地由DNA编码的基地。
如前所述,我们已经开始推出的基因组中写明ATCC27029赤霉素,很快就会开始的注释的小单孢菌应变的L5。
7.结论和最终的评论
尽管我们已经学会了很多关于小单孢菌,需要更多的研究来确定不同生境和物种的基因型的独特居住在这些。
这些微生物中发挥重要的作用,土壤生态、降解、植物生长的促进生物。
如何实现这些为数众多的专长是慢慢地通过使用生化和遗传分析小单孢菌属物种也促进植物生长不仅通过合成抗真菌和抗菌活性成分,而且关键基因在防守,这最终导致通道病原体抑制事实上,这些细菌产生广泛的水解酶分解植物细胞壁材料使他们值得进一步开发生产生物燃料。
最后,这个发现来自几个实验室,有些小单孢菌带来了无数nifH菌有趣的问题是如何把获得的这种基因和放线菌是否这是最近的事件。
即将到来的基因组的一些这样的假定葡萄糖激酶小单孢菌是否应该帮助我们学习的全部或部分,是目前操纵子以及固氮酶序列与弗兰克氏菌固氮细菌和其他基因,是否可能得到水平的基因转移。
我们也还不知道该属植物的代谢的多样性以及如何与概念的基础上,小单孢菌物种。
目前,小单孢菌由大杂烩菌株的物种,其中很多都没有指定物种的名字小单孢菌物种通常由形态学特征,比如颜色和形状,孢子的菌丝的颜色,或由其起源位点的它是植物或环境。
最近爆发的数量被基因组测序给我们更多的工具来限定分类和理解变异性。
了解这种变化将我们的选择,不仅影响小单孢菌属人类健康,而且会影响到农作物的成长和生物燃料的生产。
致谢
我们衷心感谢NicolaStanley-Wall博士(邓迪大学,原加州大学洛杉矶分校)提供的大量克隆照片。
我们感谢StefanJ.Kirchanski博士,NancyA.Fujishige博士以及AnnetteA.Angus博士为我们的手稿提出了很多建议。
同时也要感谢UCLA和ENCB/ICN的NimaMilani,JohanaAlvarado,NatalieMa,以及ClaudiaMartinezCatalan,谢谢他们对小单孢菌工程这项研究进行的资助。
这项研究得到了来自国家科学技术委员会的部分捐赠。
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