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植物寄生线虫危害世界农林业,造成了巨大的损失,植物寄生线虫病害的生物防治因符合现代农业可持续发展的理念而日益受到重视。对微生物侵染线虫的毒力因子和分子背景进行深入的研究,将为最终阐明其对线虫的侵染机制和开发高效的线虫生防制剂提供理论依据。根际细菌是一类重要的线虫生防资源,已逐渐成为微生物侵染线虫分子机制研究的热点。
本文以根际土壤中分离的芽孢杆菌为研究对象,仔细观察和分析了该菌侵染线虫的现象,确定了侵染过程中的关键因子,并分离纯化了起主要作用的两种胞外酶,克隆得到了胞外蛋白酶的全长编码基因序列,为阐明根际细菌侵染线虫机制和开发多功能高效生防菌剂奠定了理论基础。
本论文主要结果有:
1.筛选出5株具有杀线虫活性和高活性蛋白酶的芽孢杆菌。从发生线虫病害多年的植物根际分离和筛选细菌菌株,通过液体发酵测定发酵液杀线虫能力,并检测发酵液胞外蛋白酶活性,最终得到5株芽孢杆菌。其中芽孢杆菌RH219表现出强的杀线虫活性,在2h内杀死80%的被测线虫,12h内将线虫完全破坏并降解。
2.选择芽孢杆菌RH219作为研究对象,确定其侵染线虫的主要作用因子为胞外酶。分别通过疏水层析和阳离子交换层析,从其发酵液中分离纯化出两种蛋白酶:中性蛋白酶Npr219和丝氨酸蛋白酶Apr219。其理化性质测定结果如下:Npr219分子量为45 kDa,最适温度为50℃,最适pH为6,EDTA强烈抑制其活性;Apr219分子量为33 kDa,最适温度为60℃,最适pH为10,PMSF强烈抑制其活性。两种酶的N-末端氨基酸序列分别为:NH<,2>-A-A-A-T-G-T-G-T-T-L和NH<,2>-A-Q-S-V-P-Y-G-V-S-Q,都与芽孢杆菌属所产蛋白酶有极高的同源性。生物测定表明Npr219和Apr219都对全齿复活线虫(Panagrellus redivivus)、烟草根结线虫(Meloidogyne sp.)和松材线虫(Bursaphelenchus xylophlus)都具有毒杀作用,其中Apr219对线虫体壁的降解能力更强。
3.克隆得到胞外蛋白酶Apr219和Npr219的全长编码基因。挑选具有较高同源性的芽孢杆菌属的胞外蛋白酶的编码序列进行同源性比对,选取保守区序列设计引物,扩增得到Npr219蛋白酶编码区的保守序列(1578bp),该基因含有编码521个氨基酸,成熟肽包括300个氨基酸。Apt219蛋白酶编码区的保守序列有1149bp,该基因含有编码382个氨基酸,成熟肽包括275个氨基酸。同源性分析表明,两种蛋白酶与芽孢杆菌属的胞外蛋白酶具有非常高的同源性。
本论文的创新性主要体现为:
1)首次分离并报道了土壤中的根际芽孢杆菌以分泌胞外水解酶的方式,降解线虫体壁来侵染并杀死线虫,并分离纯化到相关侵染性的蛋白酶。
2)首次报道了中性蛋白酶Npr219和碱性蛋白酶Apr219在芽孢杆菌RH219侵染线虫过程中的作用。分别克隆得到相关的编码基因。