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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