苏云金芽胞杆菌—开放的基因组与多种功能

摘要

苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis （Bt）作为微生物杀虫剂，被广泛应用于农业、林业和卫生害虫的防治；而利用Bt杀虫基因研制的转基因植物，也在全球植物害虫防治中发挥了重要作用。近年来，随着科学技术的发展与社会需求的拓展，Bt新的功能被不断发掘出来。这些新的功能包括抗线虫、抗病杀菌、促进植物生长、环境修复等。本文从Bt的泛基因组结构及其遗传学特性分析入手，在详细介绍了近来Bt杀虫基因发掘进展的同时，分析了泛基因组与Bt新的功能之间可能存在的关系，旨在为我国Bt资源的研究与应用提供参考。

关键词

苏云金芽胞杆菌；泛基因组；杀虫基因；抗菌作用；促进植物生长；环境修复

中图分类号：

Q 939.9

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.05291542.2017.04.001

Abstract

As an important biological insecticide， Bacillus thuringiensis has been widely used to control agricultural， forest and medical insect pests. Bt toxin genes have also been extensively used as gene source in genetically modified crops. In recent years， with the development of science， technology and social demands， some other new functions of Bt have been explored， including resistance to nematodes， antagonistic effects against plant pathogenic fungi and bacteria， plant growthpromoting activities， and environmental bioremediation. Based on the pangenome analysis and genetic peculiarity of Bt， we reviewed recent advances in Bt insecticidal genes， and analyzed the relationship between pangenome and various new functions of Bt， in order to provide a guide for the research and application of Bt in China.

Key words

Bacillus thuringiensis；pangenome；insecticidal gene；antagonistic effect；plant growthpromoting rhizobacteria （PGPR）；environmental bioremediation

苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis （Bt）是革兰氏阳性的昆虫病原细菌[1]，可产生芽胞及多种杀虫活性物质，在害虫防治方面的研究与应用一直是人们关注的热点。其产生的杀虫蛋白对多种昆虫都具有杀虫活性，例如鳞翅目、鞘翅目、双翅目昆虫[24]等。目前，Bt不仅作为微生物殺虫剂被广泛开发应用，其编码的杀虫蛋白基因还被成功地用作转基因抗虫植物开发[57]，在虫害控制中发挥了巨大作用。因此，分离与鉴定Bt菌株是当前害虫防治领域的一项重要工作[89]。

随着研究的深入，除了杀虫活性之外，Bt的多种新功能特性也逐渐被关注和发现。这些新功能包括对植物和动物致病微生物的拮抗作用[10]、合成纳米杀虫材料[11]、抗癌细胞活性[1213]、促植物生长活性[14]以及重金属和其他化学品污染的生物修复[15]等，虽然Bt的新功能研究起步较晚，相对较弱，但已经展示了良好的前景。本文结合比较基因组数据，探讨Bt功能性的遗传学基础对基因组结构、Bt杀虫蛋白以及近期探索的Bt的多种新功能的影响，旨在多角度对Bt及其潜在应用前景进行综述分析，为国内学者的科研与生产实践提供参考。

1Bt具有开放型的泛基因组结构

新一代测序和组学技术，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的发展加深了我们对芽胞杆菌种群以及不同Bt亚种和菌株之间基因组多样性的认识与理解。到目前为止，GenBank中已登录了87个Bt菌株（包括35个完成基因组和52个草图基因组）的全部和部分基因组序列。

“泛基因组”（pangenome） 是2005年Tettelin等人首次提出的可以用来描述菌株特征的概念，表示一个物种全部的基因组成，主要由三部分组成：核心基因（core gene）、非必需基因（dispensable gene）以及菌株特有基因（strainspecific gene）[16]。根据物种的泛基因组大小与菌株数目的关系，将物种的泛基因组分为开放型泛基因组（open）和闭合型泛基因组（close）。开放型泛基因组是指，随着测序的基因组数目的增加，物种的泛基因组大小也不断增加。闭合型的泛基因组是指，随着测序的基因组数目增加，物种的泛基因组大小增加到一定程度后不再增加[17]。

为了探索Bt的泛基因组特征，我们利用泛基因组自动化分析软件（pangenome analysis pipeline，PGAP）[18]对NCBI中已有基因组完成图数据的14株Bt菌株的染色体和质粒分别进行泛基因组分析。通过GF（gene family）方法对这14株Bt菌株染色体上的76 480个功能基因进行鉴定，结果显示共鉴定出了10 498个基因家族，图1为不同保守程度的基因家族数量的比较结果，其中，特有基因家族共4 097个（图1，黄色图柱），占总基因家族数量的39.06%；菌株核心基因家族共3 114个（图1，红色图柱），占总基因家族数量的29.66%；非必需基因家族共3 287个（图1，绿色图柱），占总基因家族数量的31.31%。菌株特有基因通常是细菌进化过程中新产生的基因，而从图1中可以看出，Bt染色体基因组中特有基因所占比例最高。