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蜡状芽胞杆菌群(Bacillus cereus group或Bacillus cereus sensu lato)包括食源性致病菌蜡状芽胞杆菌(B.cereus)、人畜病原菌炭疽芽胞杆菌(B.anthracis)、昆虫病原菌苏云金芽胞杆菌(B.thuringiensis)、以及蕈状芽胞杆菌(B.Mycoides)、假蕈状芽胞杆菌(B.pseudomycoides)和韦氏芽胞杆菌(B.Weihenstephanensis)。它们具有相似的生理生化反应特征和极高的基因组同源性,广泛分布于自然环境中。蜡状芽胞杆菌群微生物的致病性多与大质粒相关,随着pXO1-相似质粒和pXO2-相似质粒分别在临床蜡状芽胞杆菌菌株和商业苏云金芽胞杆菌杀虫剂中的发现,蜡状芽胞杆菌群微生物的分类以及对环境的安全性问题引起了越来越广泛的关注。
本研究以从土壤中15个采样点分离到的259株蜡状芽胞杆菌群菌株为对象,通过PCR方法检测复制子repX和repA基因以确定pXO1-相似质粒和pXO2-相似质粒的存在情况,结果显示pXO1-,pX2-相似质粒的检出率分别为5.0%和4.2%。对含有pXO1-,pXO2-相似质粒的24株菌株进行了进一步的病原相关基因检测:发现肠毒素基因以及溶血现象普遍存在;2株含有pXO1-相似质粒的菌株检出有呕吐毒素合成酶基因;未检出炭疽毒素致死因子基因(lef)和荚膜基因(cap)。
对51株含pXO1-,pXO2-相似质粒的蜡状芽胞杆菌群菌株(24株中国来源和27株比利时来源)的多位点序列分型(MLST)表明它们在已知的3个进化枝上均有分布,并没有集中分布于某一分支的现象。这一群体具有较高的遗传多样性水平但仍表现为克隆群的遗传结构,质粒与染色体背景的不对应关系暗示着蜡状芽胞杆菌群微生物中发生了质粒的水平转移。而进一步的PCR检测和三接合转移实验证实,11株含有pXO2-相似质粒的菌株中均能检测到接合转移相关基因virB4,其中3株菌株具有驱动可移动小质粒pBC16转移的能力。
虽然目前未发现pXO1和pXO1-相似质粒的水平转移能力,但最近的研究表明位于pXO1-相似质粒上的呕吐毒素合成酶基因簇(ces gene cluster)在其它非pXO1-相似质粒和染色体上均有分布。因此可以推测,ces gene cluster分布的多样性可能与基因的水平转移相关。为了了解ces gene cluster的分子遗传机制,本研究从两方面进行了分析:对携带ces gene cluster的pXO1-相似质粒进行了水平转移的研究,发现其不具有自身转移的能力也不能被具有接合特性的大质粒驱动转移;通过染色体步移技术(Genome walking)获得了不同类型的ces gene cluster侧翼序列,对侧翼序列的生物信息学分析表明Ⅱ型内含子、插入元件等移动遗传因子的存在。
本研究丰富了对蜡状芽胞杆菌群微生物的病原相关因子和遗传结构的认识,初步揭示了呕吐毒素合成酶基因簇分布多样性的分子遗传机制,为评估环境中蜡状芽胞杆菌群的潜在危害性提供科学依据。