苏云金芽孢杆菌基因组研究概况

苏云金芽孢杆菌基因组研究概况
苏云金芽孢杆菌基因组研究概况

基因组学与应用生物学,2009年,第28卷,第1期,第202-208页Genomics and Applied Biology,2009,Vol.28,No.1,202-208

专题介绍Review

苏云金芽孢杆菌基因组研究概况

谭寿湖1,3张文飞1,3叶大维2*

1广西大学生命科学与技术学院,南宁,530005;2南开大学生命科学院,天津,300071;3海南海德热带农业资源研究所,三亚,572025*通讯作者,yehtawei@https://www.360docs.net/doc/6d8941114.html,

迄今为止,全球已有2个Bt 株菌株完成了全基因组测序,1个Bt 菌株正在拼接中,15个Bt 菌株正在

进行测序中。已有22个Bt 质粒完成了全序列测定。Bt 是作为生物农药使用最广泛的微生物菌株,也是最为成功地将其杀虫晶体蛋白基因应用于植物转基因的微生物。在基因组进化、新基因发现、基因表达调控等方面一

直是科学家研究的热点,并取得了相当多的成果。本文概述了苏云金芽孢杆菌基因组测序现状、基因组特征及比较基因学等方面的研究进展。

关键词苏云金芽孢杆菌,Bt 基因组,质粒基因组,比较基因组

Summary of Research Progress in the Genomics of Bacillus thuringiensis

Tan Shouhu 1,3

Zhang Wenfei 1,3Ye Dawei 2*

1College of Life and Technology Science,Guangxi University,Nanning,530005;2College of Life Sciences,Nankai University,Tianjin,300071;3Haide Institute of Tropical Agricultural Resources,Sanya,572025*Corresponding author,yehtawei@https://www.360docs.net/doc/6d8941114.html,

Abstract Presently,there are two Bt strains that have completed whole genomic sequencing,while one Bt strain is being assembled,and 15Bt strains are in progress.Furthermore,22Bt plasmids have completed sequencing.Bt is the most widely used microbial strains as a biological pesticide and also have the most successful application in genetically modified plant with the use of its insecticidal protein gene.Scientists have been looking at the genomic evolution,new gene discovery,gene expression and regulation with considerable achievements.This article pro-vides an overview on the latest research development of Bt genome sequencing,genome characteristics and com-parative genomics studies.Keywords

Bacillus thuringiensis ,Bt Genome,Plasmid genome,Comparative genome

基金项目:本研究由国家863项目(2006AA022189)资助

随着基因组测序技术的快速发展,测序成本的降低,对任何生物的基因组进行测序变得现实和可能(Marguerat et al.,2008)。自1995年首次完成流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae )的全基因组序列以来,已有大量的微生物菌株基因组全序列测定完成。截止到2009年2月3日,全球已经完成基因组测序的微生物菌株有834株,有643株微生物菌株的基因组正处在拼接阶段,此外,有797株微生物菌株的基因组由于各种原因只完成了基因组草图。在已经完成测序的微生物中,有779株为真细菌,55株为古生菌(https://www.360docs.net/doc/6d8941114.html,/genomes/lproks.cgi)。

苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis ,简称Bt )在《伯杰氏系统细菌学手册》(第九版)中被列为第2类

第18群中的芽孢杆菌属。与蜡状芽孢杆菌(B.cereus ),炭疽芽孢杆菌(B.anthracis )同属于蜡状芽孢杆菌群细菌(Rasko et al.,2005)。

Bt 广泛存在于土壤、

虫尸、污水、淤泥、尘埃以及叶面等介质中,是一种广泛存在于自然界的革兰氏阳性细菌。苏云金芽孢杆菌也是一种典型的昆虫病

原菌,对鳞翅目(Lepidoptera )、

双翅目(Diptera )、鞘翅目(Coleoplera )、膜翅目(Hymenoptera )、同翅目(Ho -

moptera )、

直翅目(Orthoplera )、食毛目(Mallophaga )等多种昆虫,以及线虫、

螨类和原生动物等具有特异的毒性活性,由此成为目前世界上研究最深入,应用最广泛的农业害虫生物防治细菌(Crickmore et al.,1998;喻子牛等,1996)。

1苏云金芽孢杆菌基因组测序概况

迄今为止,已有2个Bt菌株完成了全基因组测序,1个Bt菌株正在拼接,15个Bt菌株正在进行测序中(表1)。

第一个完成全基因组测序的苏云金芽孢杆菌菌株是B.thuringiensis97-27。它的序列测定工作由设立在加利福尼亚的美国能源部联合基因组研究所(DOE Joint Genome Institute)于2004年6月30日宣布完成。事实上,该菌株是从人体的坏死组织上分离得到的,并被认为是能够引起人体感染的病原菌。AFLP和MLST的分析也显示该菌株在种系发生树上与炭疽芽孢杆菌更为接近。之所以把它归类为苏云金芽孢杆菌,是因为该菌株能够产生Bt菌所特有的伴孢晶体,且各项生理生化指标与Bt菌的极为相似。令人惊奇的是该菌株没有任何的杀虫活性,利用已知的杀虫基因序列对该基因组序列进行Blast,没有发现任何已知cry、cyt或vip基因或这些基因的同源基因(Hernandez et al.,1998;Rasko et al.,2005)。显然,B.thuringiensis97-27菌株是不是一株典型意义上的苏云金芽孢杆菌值得商榷。

另一株完成全基因组测序的苏云金芽孢杆菌菌株是B.thuringiensis Al Hakam。该菌株由United Nations Special Commission收集于伊拉克的一个被怀疑为生化武器制造工厂(Al Hakam)(Radnedge et al., 2003)。Bt Al Hakam的全基因组测序也是由美国能源部联合基因组研究所使用plasmid文库和fosmid文库方法完成的。基因组全长5.31Mb,包含两个复制子:一个环形染色体(5.26Mb),G+C含量为35%,至少编码4969个开放阅读框;一个pALH1质粒,G+C 含量为36%,编码62个开放阅读框。不幸的是序列分析也没有发现任何已知cry、cyt或vip基因或这些基因的同源基因(Challacombe et al.,2007)。

苏云金芽孢杆菌YBT-1520的基因组测序是由华中农业大学与中国农科院植保所等在国家863计划的支持下进行的,由杭州华大基因研发中心承担测序工作。Bt YBT-1520菌株是华中农业大学分离的一株高毒力Bt菌株。其伴孢晶体对鳞翅目、双翅目、鞘翅目的昆虫,及螨类和动植物寄生线虫都有一定的毒性,其中,对小菜蛾和棉铃虫的毒力特别高。Bt YBT-1520染色体全长为5402170bp,含有5639个可读框(ORF),同时它还含有10个质粒,大小从2kb 到130kb不等。已有的研究表明,Bt YBT-1520含有cry1Aa、cry1Ab、cry1Ac、cry2Aa和cry2Ab等5种杀虫晶体蛋白基因(刘超,2007)。遗憾的是该菌株的全基因组序列拼接似乎存在困难,至今尚未见到完整序列的发表或报道。

在Integrated Genomics进行的苏云金芽孢杆菌以色列亚种(Bacillus thuringiensis serovar israelensis)菌株ATCC35646的基因组测序也即将完成(Anderson et al.,2005)。初步的数据显示该菌株的基因组大小为5880839bp。DNA编码序列4649355bp,G+C含量35%,DNA contigs为866,ORFs总数为6 451个,其中有指定功能的有2103个。

2苏云金芽孢杆菌基因组结构及其特征

苏云金芽孢杆菌染色体为环状DNA,GC含量一般在32%~35%之间,基因组大小2.4~5.7Mb不等(Schnepf et al.,1998)。目前已经公开的关于苏云金芽孢杆菌全基因组的信息菌株有Bt serovar konkukian str.97-27和Bt str.Al Hakam,本文以Bt97-27为例,介绍Bt基因组结构及其特征(图1)。

B.thuringiensis97-27基因组全长5314794bp,G+C百分含量为35.1%。包含两个复制子:一个环形染色体,至少编码5198个开放阅读框及一个pBT9727质粒。Bt97-27染色体为环状单链DNA,大小为5237682bp。G+C百分含量35%。编码序列为4379823bp,约占整个染色体序列的84%。ORF总数为5263,平均长度为856bp。CDS总共有5118个,其中有3828个具有指定的功能,1198个编码保守的假定蛋白,即这些CDS在数据库中存在着功能未知的同源序列,其余的92个编码假定蛋白,即这些CDS 在数据库中找不到同源序列(Han et al.,2006)。

3苏云金芽孢杆菌质粒基因组结构及其特征

苏云金芽孢杆菌的绝大多数野生菌株含有丰富多样的内生质粒,其质粒DNA的含量可以占到细胞总DNA含量的10%~20%(Aronson,1993)。苏云金芽孢杆菌的内生质粒,在细胞内呈共价闭合环状的形式(cccDNA),它们不仅在数量及分子大小上差异很大,而且这些内生质粒在拷贝数、复制方式及稳定性等特性上也尽不相同。迄今为止,根据NCBI的数据统计,已有22个质粒完成了全序列测定(表2)。

最为典型的Bt菌测序质粒应该是pBtoxis质粒(图2),该质粒来源于苏云金芽孢杆菌以色列亚种(Bacillus thuringiensis subsp israelensis,简称Bti),质粒上有4个cry基因(cry4Aa,cry4Ba,cry10Aa,cry11Aa)和3个cyt基因(cyt1Aa,cty2Ba,cyt1Ca)。此外还有一

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Genomics and Applied Biology

https://www.360docs.net/doc/6d8941114.html,

表2苏云金芽孢杆菌质粒测序概况

Table 2The plasmid sequencing of Bacillus thuringiensis 菌株名称Strain name

Bt serovar israelensis Bt serovar israelensis Bt serovar israelensis Bt YBT -1520Bt YBT -1520Bt LBIT -113Bt serovar israelensis Bt H1.1Bt 4Q2Bt str.97-27Bt INTA Mo14-4Bt HD -3a3b Bt C002Bt str.Al Hakam Bt K1

Bt strain YBT -1520Bt INTA-FR7-4Bt INTA-FR7-4Bt INTA-FR7-4Bt serovar kurstaki Bt YBT -1765

Bt strain YBT -1520质粒名称Plasmid name

pTX14-3pTX14-1pGI3pBMB2062pBMB9741pUIBI -1pBtoxis pGI1pTX14-2pBT9727pBMBt1Miniplasmid pDAN-involved pALH1pK1S1pBMB67

pFR55pFR12.5pFR12pAW63pBMB175

pBMB7635

GC 含量(%)G +C content (%)35363134323232323632323432

363232332931333132

质粒大小(bp)Size (bp)

764954151136520626578467112792382546829771126700205869095593954756715955712124591209571777148417635复制模式Replication mode RCR RCR RCR RCR RCR RCR θReplication RCR RCR θReplication RCR RCR RCR θReplication RCR

θReplication θReplication RCR RCR θReplication RCR RCR

登录代码Accession number X56204U67921Y11173

AF050161AF202532AF516904AL731825AY138809AY138808CP000047AY822042S49203

AY126018CP000486EF406356DQ363750EU362919EU362918EU362917DQ025752DQ364061EU130936完成时间Completed 1991/05/291996/10/131997/07/011998/03/121999/12/212002/06/272002/07/012002/10/072002/10/072004/12/302005/02/042005/07/222005/07/222006/11/292007/02/232007/09/252008/01/252008/01/252008/01/252008/04/142008/06/172009/01/02参考文献

References

Andrup et al.,1994Unpublished Hoflack et al.,1997

Unpublished Unpublished Unpublished Berry et al.,2002

Andrup et al.,2003Andrup et al.,2003Han et al.,2006

Loeza-Lara et al.,2005Marin et al.,1992

Unpublished Challacombe et al.,2007Unpublished

Liu et al.,2007Unpublished Unpublished Unpublished van der Auwera et al.,2005

Huang et al.,2007Unpublished

菌株名称Strain name

Bt serovar konkukian str.97-27Bt str.Al Hakam

Bt serovar israelensis ATCC 35646Bt YBT -1520Bt Bt407Bt IBL200Bt IBL4222

Bt serovar andalousiensis BGSC 4AW1Bt serovar berliner ATCC 10792

Bt serovar huazhongensis BGSC 4BD1Bt serovar kurstaki str.T03a001Bt serovar monterrey BGSC 4AJ1Bt serovar pakistani str.t13001

Bt serovar pondicheriensis BGSC 4BA1Bt serovar pulsiensis BGSC 4CC1Bt serovar sotto str.T04001

Bt serovar thuringiensis str.T01001Bt serovar tochigiensis BGSC 4Y1表1苏云金芽孢杆菌基因组测序概况

Table 1The genome sequencing of Bacillus thuringiensis 测序机构

Sequencing center

DOE Joint Genome Institute DOE Joint Genome Institute Integrated Genomics

Huazhong Agricultural University Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center Naval Medical Research Center

测序进度

Sequencing status Complete Complete Assembly Assembly In progress In progress In progress In progress In progress In progress In progress In progress In progress In progress In progress In progress In progress In progress

204

图2pBtoxis 质粒圈图(引自Berry et al.,2002)

注:外边两圈表示正反链上预测的基因,外圈刻度标尺的单位为kb;最里面一圈表示GC 偏好性,黄褐色表示值>1,紫色表示值<1;第2圈表示(G +C )含量

基因由不同的颜色来代表如下:灰色—毒素和肽类抗生素;粉红色—转座子相关;橙色—保守假定的;红色—DNA 代谢;蓝色—调控;鲜绿色—表面关联的;灰绿色—未知;黄色—各种代谢因子

Figure 2Circular representation of pBtoxis (Adopted from Berry et al.,2002)

Note:The outer two circles represent predicted genes on the re-verse and forward strands.The outer scale is marked in kilobases.The inner circle represents GC bias,with positive values in khaki and negative values in purple;the second circle represents G +C content

Color coding for the genes is as follows:Gray,Toxin and peptide antibiotic;Pink,Transposon related;Orange,Conserved hypo-thetical;Red,DNA metabolism;Blue,Regulatory;Bright green,Surface associated;Pale green,Unknown;Yellow,Miscellaneous metabolic genes

的62%,ORF 平均长度725bp ,CDS 总数为125个,其中编码蛋白的有113个,编码保守的假定蛋白的有20个,还有11个编码假定蛋白(Berry et al.,2002)。

4比较基因组学研究

关于Bt 的比较基因组学研究主要集中在群中炭疽芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌之间的分析比较。Bt 97-27与蜡状芽孢杆菌群中的B.an thracis Ames (Read et al.,2003)、B.cereus ATCC 14579(Ivanova et al.,2003)和B.cereus ATCC10987(Rasko et al.,2004)有很高的相似性,共同拥有3917种假定蛋白。也存在各自特有的基因。

在Bt 97-27的5199种预测蛋白中,图1Bt 97-27的染色体圈图(引用自Han et al.,2006)注:最外面两圈表示基因的起始位点和指定的功能分类;第1圈包括正链基因产物;第2圈包括负链基因产物;第3圈和第4圈表示特有基因;第5圈和第6圈表示原噬菌体基因;第7圈表示插入序列元件;第8圈表示(G +C)含量;第9圈表示GC 偏好性(卡其色表示值>1,紫色表示值<1)

颜色代表功能分类如下:浅蓝色—氨基酸的生物合成;浅肉色—辅助因子的生物合成;暗肉色—细胞膜;橙色—细胞加工;橙红—重要中间代谢;绿色—能量代谢;黑色—脂肪酸和磷脂代谢;青色—其他分类;暗灰色—蛋白凋亡;黄色—嘌呤、嘧啶、核苷和核苷酸;浅绿色—调控功能;蓝色—复制;浅灰色—转录和翻译;洋红色—转运和结合蛋白;褐色—未指定的编码;红色—未知功能

Figure 1Circular representation of the Bt 97-27genome (Adopt-ed from Han et al.,2006)

Note:The outermost two circles indicate start sites of genes and assigned functional categories

Circle 1consists of forward-strand gene products;Circle 2con-sists of reverse-strand gene products;Circles 3and 4:Unique genes;Circles 5and 6:Prophage genes;Circle 7:IS elements;Circle 8:G +C content;Circle 9:GC bias ((G-C/G +C),khaki indi-cates values >1,purple <1)

Colors represent the following functional categories:Light blue,Amino acid biosynthesis;Light salmon,Biosynthesis of cofac-tors;Dark salmon,Cell envelope;Orange,Cellular processes;Salmon,Central intermediary metabolism;Green,Energy metabolism;Black,Fatty acid and phospholipid metabolism;Cyan,Other categories;Dark gray,Protein fate;Yellow,Purines,pyrimidines,nucleosides,and nucleotides;Light green,Regulatory functions;Blue,Replication;Light gray,Transcription and trans-lation;Magenta,Transport and binding proteins;Brown,Unas-signed;Red,Unknown

function

些插入序列,如编码作为分子伴侣促进晶体形成和

增强细胞活性的P19和P20蛋白。pBtoxis 质粒为环状单链DNA ,全长127923bp ,G +C 百分含量为32.42%,编码序列长度为79312bp ,占质粒全长序列

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基因组学与应用生物学

Genomics and Applied Biology https://www.360docs.net/doc/6d8941114.html,

307个染色体编码基因及66个质粒编码基因是特有的(Han et al.,2006)。然而Bt97-27却与蜡状芽孢杆菌的其他成员共有一套致病因子。这些共有的致病因子包括3个非溶血性肠毒素,2个通道形成三型肠毒素,1个产气荚膜梭菌溶血素,1个磷脂酰肌醇特异性磷脂酶及1个磷脂酰胆碱偏好性磷脂酶,1个RNA聚合酶sigma-B因子,1个p60细胞外蛋白酶。此外还有一个编码细胞毒素K的基因。Bt97-27含有包括溶血肠毒素基因hblCDBA的hbl操纵子。Bt 分离株通常都含有编码杀虫晶体蛋白的cry、cyt和(或)vip基因,然而Bt97-27基因组中却没有发现任何的cry、cyt或vip基因。且Bt97-27大多数基因的氨基酸序列与蜡状芽孢杆菌的其他物种基因具有80%以上相似性(Han et al.,2006)。

苏云金芽孢杆菌与蜡状芽孢杆菌以及炭疽芽孢杆菌关系紧密,它们具有相似的形态特征和较高DNA同源性(Rasko et al.,2005)。蜡状芽孢杆菌和苏云金杆菌间的区别仅仅在于后者在芽孢形成时能产生位于芽孢孢外膜外的伴孢晶体,该性状由杀虫质粒编码。该质粒的丢失可使苏云金杆菌转化成蜡状芽孢杆菌,反之亦然(Damgaard,1995)。基因组同源性分析也表明这两种细菌在DNA水平上无明显的差别(Rasko et al.,2005)。研究表明,在自然环境中,两者染色体体外遗传物质可以出现高度重组(袁志明等, 2001),在DNA水平也具有较高的同源性,只有个别碱基有差异(Giffel et al.,1997)。由于Bt与Bc的相似性,许多细菌分类学家认为Bt与Bc应为同一个种(Bavykin et al.,2004)。宋树森等(2007)采用肠杆菌基因间重复一致序列—PCR(ERIC-PCR)技术,对6株苏云金芽孢杆菌和3株蜡状芽孢杆菌及对照菌株的基因组DNA进行扩增,对其指纹图谱进行分析,结果表明,与蜡状芽孢杆菌相比。苏云金芽孢杆菌菌株间基因组DNA指纹图谱较一致。

由于苏云金杆菌和蜡状芽孢杆菌间的高度同源性,苏云金杆菌安全性问题越来越受到人们的重视。1995年有报道称苏云金杆菌生产菌株能产生腹泻型肠毒素(Damgaard,1995)。此后的许多研究也证实在苏云金杆菌中广泛存在肠毒素基因(Perani et al.,1998; Yuan et al.,2002)。胡晓敏等(2007)对26株蜡状芽孢杆菌群菌株进行了肠毒素基因及其它病原相关因子的检测。苏云金芽孢杆菌菌株中溶血素hbl基因和非溶血素nhe基因的阳性检出率为83%。目前已经完成全基因组测序的苏云金芽孢杆菌B.thuringiensis 97-27、B.thuringiensis Al Hakam序列分析表明该菌株含有3个非溶血毒素基因(nheABC)及包括溶血毒素hblCDBA基因的hbl操纵子。

6结语

毫无疑问,能在芽孢形成过程中伴随产生杀虫晶体蛋白的菌株,约定俗成称为苏云金芽孢杆菌。因此,作为苏云金芽孢杆菌应该含有编码杀虫晶体蛋白的cry、cyt或vip基因(Crickmore et al.,1998)。然而,已经完成全基因组测序的两株Bt菌,Bt97-27和Bt Al Hakam,其基因组中却没有发现任何的cry、cyt或vip基因或这些杀虫基因的同源基因是不可思议的。显然,华中农业大学用于基因组测序的菌株Bt YBT-1520是一个真正的苏云金芽孢杆菌。我们期待这个菌株的全基因组序列能够尽快正式公布于世。

致谢

作者对海南省热带农业资源研究所所长方宣钧博士为本论文进行严格的评阅和提出宝贵的修改意见,表示诚挚的感谢!

参考文献

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苏云金芽孢杆菌基因组研究概况

Summary of Research Progress in the Genomics of Bacillus thuringiensis

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基因组学与应用生物学

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苏云金芽孢杆菌

本文对农业上研究最多、用量最大的两类微生物杀虫剂苏云金芽孢杆菌 (Bacillus thuringiensis, Bt)和昆虫杆状病毒(baculovirus)进行了综述,分别论述了它们的杀虫优势、杀虫的分子机理、目前的研究状况,并对它们的基因工程技术改良路线以及在农业上的应用,提出了一些建议。 由病虫害引起的农作物的减产减收已成为制约农业生产进一步发展的限制因素,全球每年农作物因虫害造成的损失约占总产量的13%,而目前对农作物害虫的防治主要依赖于化学农药。完全依赖化学杀虫剂存在许多弊端,其中最主要的问题是,一种化学物质的广泛使用会使害虫的后代产生选择性进化优势,从而对该化学物质产生抗性。例如,世界各地的家蝇品系对杀灭它们的每种杀虫剂都产生了抗性。第二个问题是,有的杀虫剂影响非靶目标品种,产生灾难性后果,某些益虫被无意中消灭,导致其次要害虫急剧增长。第三问题是在于环境的耐受性和许多杀虫剂的毒性,不仅造成了严重的环境污染,而且给人类的健康带来巨大的威胁。上述不利因素促使人们急欲寻求控制害虫的替代方案。 在对农业害虫进行的长期防治实践中,人们逐渐认识到必须采取综合治理的措施,才能有效的控制害虫的危害。基因工程技术的发展,为防治农林害虫提供了一种有效、减污的新技术手段,微生物农药也因此在世界范围内受到广泛重视。微生物农药是指非化学合成、具有杀虫防病作用的微生物制剂,如微生物杀虫剂、杀菌剂、农用抗生素,等等。这一类微生物包括杀虫防病的细菌、真菌和病毒。 杀虫微生物是指其代谢产物或微生物本身对宿主昆虫有致死效应或致病的微生物类群,通常也称为昆虫病原微生物。目前已知的杀虫防病微生物主要有芽孢杆菌科、假单胞菌科、肠杆菌科、链球菌科和杆状病毒科等类群。尽管不同杀虫微生物引起昆虫致病的症状不尽相同,但杀虫微生物对害虫的作用方式主要是通过产生特异性的杀虫毒素来破坏害虫的代谢平衡,或者是通过营养体在虫体内的繁殖复制而引起昆虫死亡和发生流行病。 除了这一独特的杀虫机制外,微生物杀虫剂还具有以下一些特点:对人畜安全无毒,不污染环境;杀虫作用具有一定特异性和选择性,不会使天敌和非目标昆虫致死;易于和其他生物学手段结合进行害虫综合治理,维持生态平衡;由于杀虫活性蛋白的多样性,昆虫产生抗性较缓慢或不易产生抗性;可以通过发酵法生产,具有较低的生产成本;可以通过基因工程技术途径筛选或构建优良性能的菌株来满足生产与应用所需等。所以微生物杀虫剂自问世以来发展很快,据报道,全世界已商品化的微生物农药约30种,微生物杀虫剂占其中的90%。 苏云金芽孢杆菌 杀虫微生物中研究最多,用量最大的是苏云金芽孢杆菌。苏云金芽孢杆菌从上世纪20年代起就用于害虫的防治,它的生物学特性决定了它的微生物杀虫剂功能。 苏云金芽孢杆菌菌株在生长代谢过程中会形成芽胞,在芽胞形成过程中产生一个芽胞及一个或多个较大的蛋白质性质的晶体内含体。这种蛋白质性质的晶体被敏感昆虫摄食后会导致昆虫死亡,蛋白质晶体含有不具活性的原毒素分子——δ-内毒素,当昆虫幼虫吞食了这种内毒素,晶体就会被幼虫的碱性肠液溶解,随后被肠道蛋白酶降解,形成有活性的蛋白质毒素,最终导致昆虫死亡。苏云金芽孢杆菌菌株在营养体生长旺盛期,某些菌株还会产生一些其它的外毒素,如α-外毒素、β-外毒素、γ-外毒素,等等。除上述毒素外,近年来从

苏云金芽孢杆菌的分离及鉴定

苏云金芽孢杆菌的分离及鉴定 09级园林工程系生物技术及应用班级 (制作人—王珏指导教师—韩磊) 内容提要 本论文描述了苏云金芽孢杆菌的选择性培养、分离以及鉴定的过程,从而熟悉了灭菌、接种等无菌操作技术,掌握了鉴定菌种的不同方法以及了解到了苏云金芽孢杆菌在生产上的应用和发展前景前景。 关键词 苏云金芽孢杆菌;选择性培养;生化鉴定;明胶酶;明胶的液化;精氨酸脱羧酶;尿素酶1材料与方法 1.1实验材料 1.1.1玻璃器皿 烧杯;三角瓶;量筒;玻璃棒;培养皿;试管;移液管;涂布棒;酒精灯;胶头滴管等 1.1.2实验仪器 超净工作台;光照培养箱;水浴锅;摇床;电子天平等 1.1.3其他用具 研钵;纱布;吸耳球;八层纱布;剪刀;棉塞;pH试纸;胶头滴管;牛皮纸;麻线;喷壶等 1.1.4实验材料 土壤表层土样;叶片;苏云金芽孢杆菌菌粉 1.2方法与步骤 1.2.1选择性培养及扩大培养 1.2.1.1灭菌前准备 1)PBA培养基的制备 PBA培养基配方(1L) 配置750mL的PBA搖瓶培养基后分装于三个大三角瓶内,随后用棉塞及牛皮纸封口包扎;以备灭菌(121℃,20min)。

注(制备的培养基中有500mL中不含有醋酸钠) 2)灭菌器材的准备 将需要灭菌的三角瓶、纱布、搁置架分别包扎后同培养基利用手提式高压灭菌器进行灭菌(121℃,20min)。 1.2.1.2灭菌 1、注水:往灭菌锅内注入适量的蒸馏水; 2、预热:放入需灭菌的器材和培养基之前先预热十分钟; 3、加热升温过程:将需要灭菌器的材放入灭菌锅内→盖 好灭菌锅的顶盖→打开放气阀→接通电源进行升温、升压→ 待到有大量热气从放气阀冒出时关掉放气阀;此后是升压的 过程; 4、升压、降压过程:开始升温后压强随之升高,待到压 强为0.05mpa时关掉电源;此后为降压过程,当压强降到 0mpa时打开放气阀放气。放完气后关掉放气阀接通电源,再 次升温、降温后打开放气阀放气,放完气之后关掉放气阀接 通电源;此后为升压保压的过程; 5、升压保压过程:当压强从0mpa升到1.1mpa时开始计时;当压强升到1.13mpa时关掉电源,待压强降到约1.1mpa时再接通电源;再次升压至1.13mpa时关掉电源开始降压,当降到1.1mpa时再接通电源然后开始升压。重复上一步操作,使此过程保持20分钟。此后为降压出锅过程; 6、降压出锅过程:保压20分钟后关掉电源等待降压至0mpa时打开放气阀放气;用抹布打开灭菌锅的锅盖,然后将灭完菌的器具和培养基取出; 1.2.1.3样品的预处理 三个小组分别取土壤表层土样和植物叶片共5份→土壤研磨、叶片剪碎→每份样品称取5g→溶于适量的自来水中→摇匀→置于75℃的水浴锅中保温10min→静置 1.2.1.4超净工作台的准备 接通电源后打开紫外灯,30分钟后关掉紫外灯打开风机约20分钟;然后用肥皂洗手后进行无菌操作。 1.2.1.5无菌操作 1)培养基的完善及分装(对照试验)

苏云金芽孢杆菌生物农药的制备伴胞晶体的分离纯化及杀虫活性

苏云金芽孢杆菌生物农药的制备伴胞晶体的分离纯化及杀虫活性 集团文件发布号:(9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-

JIUJIANG UNIVERSITY 实验论文 题目苏云金芽孢杆菌生物农药(Bt制剂)的制备、伴 孢晶体的分离纯化及杀虫活性 院系生命科学学院 专业生物技术 姓名樊晓乐、严学芬、王伟、 周明宣、邹红虹 班级 B0933 指导教师张炳火 二零一一年十一月

摘要:苏云金芽孢杆菌是目前世界上研究最多、产量最大、应用范围最广的微生物杀虫剂,具有专一性强、对人畜无害、防治效果好、易生物降解及无残毒等优点。本试验采用固体培养,对一株苏云金芽孢杆菌进行了发酵,制备了Bt制剂,对伴孢晶体进行了分离纯化,采用菜地试验,检测了Bt制剂和伴孢晶体对白菜虫害的防治效果。 关键词:苏云金芽孢杆菌(Bt);伴孢晶体;杀虫活性 前言 苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis,简称Bt)是一种革兰氏阳性细菌,其菌体为短杆状,生鞭毛,单生或形成短链。它在芽孢形成过程中产生称为δ-内毒素的杀虫伴胞晶体蛋白(控制合成这种蛋白质的基因在质粒上),这些蛋白具有很高的杀虫活性。Bt由于具有专一性强、对人畜无害、防治效果好、生物降解无残毒、所用原料简单等优点,在虫害防治中发挥着越来越重要的作用,随着对Bt研究的深入,Bt 的基因改造、毒理学研究、杀虫机理、对人类的安全性等方面的研究都对高纯度的Bt伴胞晶体提出了极大的需求。 因此,Bt伴胞晶体的分离纯化方法逐步得到了发展,如等密度梯度离心法、液体双相分离法、等电点沉淀法、离子交换分离法、碱裂解法、高速离心法和生物物理法等。 本实验采用2种液体培养基、2种培养条件对苏云金芽孢杆菌进行培养。镜检观察当90%以上的芽孢脱落时处理菌体,经碱液裂解后比较等电点沉淀和液体双相分层法提取Bt蛋白的收率和纯度。 1 材料与方法

苏云金芽孢杆菌基因组研究概况

基因组学与应用生物学,2009年,第28卷,第1期,第202-208页Genomics and Applied Biology,2009,Vol.28,No.1,202-208 专题介绍Review 苏云金芽孢杆菌基因组研究概况 谭寿湖1,3张文飞1,3叶大维2* 1广西大学生命科学与技术学院,南宁,530005;2南开大学生命科学院,天津,300071;3海南海德热带农业资源研究所,三亚,572025*通讯作者,yehtawei@https://www.360docs.net/doc/6d8941114.html, 摘 要 迄今为止,全球已有2个Bt 株菌株完成了全基因组测序,1个Bt 菌株正在拼接中,15个Bt 菌株正在 进行测序中。已有22个Bt 质粒完成了全序列测定。Bt 是作为生物农药使用最广泛的微生物菌株,也是最为成功地将其杀虫晶体蛋白基因应用于植物转基因的微生物。在基因组进化、新基因发现、基因表达调控等方面一 直是科学家研究的热点,并取得了相当多的成果。本文概述了苏云金芽孢杆菌基因组测序现状、基因组特征及比较基因学等方面的研究进展。 关键词苏云金芽孢杆菌,Bt 基因组,质粒基因组,比较基因组 Summary of Research Progress in the Genomics of Bacillus thuringiensis Tan Shouhu 1,3 Zhang Wenfei 1,3Ye Dawei 2* 1College of Life and Technology Science,Guangxi University,Nanning,530005;2College of Life Sciences,Nankai University,Tianjin,300071;3Haide Institute of Tropical Agricultural Resources,Sanya,572025*Corresponding author,yehtawei@https://www.360docs.net/doc/6d8941114.html, Abstract Presently,there are two Bt strains that have completed whole genomic sequencing,while one Bt strain is being assembled,and 15Bt strains are in progress.Furthermore,22Bt plasmids have completed sequencing.Bt is the most widely used microbial strains as a biological pesticide and also have the most successful application in genetically modified plant with the use of its insecticidal protein gene.Scientists have been looking at the genomic evolution,new gene discovery,gene expression and regulation with considerable achievements.This article pro-vides an overview on the latest research development of Bt genome sequencing,genome characteristics and com-parative genomics studies.Keywords Bacillus thuringiensis ,Bt Genome,Plasmid genome,Comparative genome 基金项目:本研究由国家863项目(2006AA022189)资助 随着基因组测序技术的快速发展,测序成本的降低,对任何生物的基因组进行测序变得现实和可能(Marguerat et al.,2008)。自1995年首次完成流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae )的全基因组序列以来,已有大量的微生物菌株基因组全序列测定完成。截止到2009年2月3日,全球已经完成基因组测序的微生物菌株有834株,有643株微生物菌株的基因组正处在拼接阶段,此外,有797株微生物菌株的基因组由于各种原因只完成了基因组草图。在已经完成测序的微生物中,有779株为真细菌,55株为古生菌(https://www.360docs.net/doc/6d8941114.html,/genomes/lproks.cgi)。 苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis ,简称Bt )在《伯杰氏系统细菌学手册》(第九版)中被列为第2类 第18群中的芽孢杆菌属。与蜡状芽孢杆菌(B.cereus ),炭疽芽孢杆菌(B.anthracis )同属于蜡状芽孢杆菌群细菌(Rasko et al.,2005)。 Bt 广泛存在于土壤、 虫尸、污水、淤泥、尘埃以及叶面等介质中,是一种广泛存在于自然界的革兰氏阳性细菌。苏云金芽孢杆菌也是一种典型的昆虫病 原菌,对鳞翅目(Lepidoptera )、 双翅目(Diptera )、鞘翅目(Coleoplera )、膜翅目(Hymenoptera )、同翅目(Ho - moptera )、 直翅目(Orthoplera )、食毛目(Mallophaga )等多种昆虫,以及线虫、 螨类和原生动物等具有特异的毒性活性,由此成为目前世界上研究最深入,应用最广泛的农业害虫生物防治细菌(Crickmore et al.,1998;喻子牛等,1996)。

苏云金芽孢杆菌作业

发酵工艺学作业 题目苏云金芽孢杆菌生物农药发酵工艺研究进展 学院 班级学号 姓名

苏云金芽孢杆菌生物农药发酵工艺研究进展 摘要:苏云金芽孢杆菌(Bt)是一种开发和利用较为成功的微生物生物农药,但也存在着生产成本高、发酵条件难控制等缺点。本文主要综述了Bt生物农药的发酵工艺研究进展,主要包括BT发酵中的培养基、温度、PH值、通氧量以及发酵时间等方面。并对Bt生物农药的发展前景作出了展望。 关键词:苏云金芽孢杆菌;生物农药;发酵工艺;展望 Review on fermentation of Bacillus thuringiensis Abstract:Bacillus thuringiensis (Bt) is a microbial pesticides,Which has been successful developed and used.The fermentation technology of Bacillus thuringiensis (Bt) in recent years were summarized, including raw material, temperature, pH value, oxygen, fermentation time.In this aricle,the development prospct of Bt microbial pesticides is also put forward. Key words: Bt;microbial pesticides; fermentation technology;forward 前言 生物农药又可称为绿色农药、生态农药,是20世纪70年代提出的,是指可以用来防治病、虫、草、鼠等有害生物及调节植物生长的生物体或源于生物体的各种生理活性物质。生物农药不仅具有常规农药的高活性,能大规模工业化生产,而且专一性强,一般不伤害虫的天敌和有益生物,对人畜无毒,不污染环境,可在田间大规模应用。 微生物生物农药是生物农药中的主要类型之一[1]。而在微生物生物农药方面又以苏云金芽孢杆菌(Bt)为目前产量最大,应用最为广泛的一类细菌杀虫剂[2,3],占到生物农药的90%左右[4]。Bt的发酵方式可分为液体发酵和固体发酵两种类

苏云金芽孢杆菌的研究——综述

苏云金芽孢杆菌的研究 摘要苏云金芽孢杆菌是目前应用最广泛、研究最深入、生产量最大的微生物杀虫剂。目前已发现多种Bt亚种或血清型对害虫具有杀虫活性,同时也发现了一些新的杀虫晶体蛋白,通过纯化得到高效的杀虫晶体蛋白也是目前研究热点之一。本文简要介绍了Bt的发展历史、晶体蛋白的纯化及在杀虫方面的一些应用。 关键词苏云金芽孢杆菌、历史、伴孢晶体、杀虫 苏云金杆菌(Bacillu .thuringiensis,简称Bt)是一种革兰氏阳性芽孢杆菌,为昆虫病原细菌,其菌体为短杆状、有鞭毛,一般单生或形成短链。在芽孢形成期可产生具有杀虫活性的伴孢晶体,且伴孢晶体(原毒素)对鳞翅目或双翅目等多种昆虫具有毒杀活性[15]。苏云金杆菌是一种应用广泛的绿色环保型微生物杀虫剂,全世界年产值已突破1亿美元[1]。自20世纪60年代实现工业化生产以来,已成为世界上用途最广、商业开发最成功、产量最大的微生物杀虫剂,每年以20%的速度增长[2,3]。苏云金杆菌杀虫剂的稳定性较差、残效期短、杀虫速度慢等问题都待解决,关于苏云金芽孢杆菌的研究都将继续进行。 1Bt的发展历史 1901年,日本学者石渡繁胤(Ishiwata)从虫尸体液中分离出苏云金杆菌猝倒变种(Bacillus.thuringiensis var.sott) 成为苏云金杆菌研究的起点[4]。1911年,Berliner 发现一杆菌,并详细描述了该菌的形态和培养特征,定名为苏云金杆菌(Bacil-lus.thuringiensis),指明苏云金杆菌含伴孢晶体(Paraspora crystl) 。 1938年,苏云金杆菌商品化,用于防治地中海粉螟。20世纪50年代许多国家进行了商业性生产。从发现该菌至今已有整整105年历史,世界上有超过万篇的研究报道,涉及生物学、分类命名、有效成分、杀虫机理、分子生物学、遗传学、产品化和安全性,包括近年来的转基因植物等诸多方面[5]。 1953年,Hannay第一次发现苏云金杆菌的杀虫活性与伴孢晶体有关,并和Fitz-James于1955年证实,伴孢晶体是一种蛋白质。1981年,Schnept和Whiteley 首次将HD21菌株伴孢晶体的基因克隆到大肠杆菌中,并得到表达。用血清学技术进行Bt的鉴定和分类始于20世纪60年代。 我国对苏云金芽孢杆菌的研究和应用起步较晚,但发展迅速,据统计,在在70年代,我国苏云金杆菌制剂年产量大1000吨以上,并且部分产品用于出口。 1992年联合国“世界环境和发展大会”在巴西的召开促进了全球生物防治的发展,推进了苏云金杆菌制剂产业化进程。世界上许多科学家致力于Bt的研究,并作出卓越贡献,时至今日,Bt在农药上所占的比例仍处于劣势,许多问题依然有待解决。 2 苏云金芽胞杆菌的伴孢晶体的纯化方法 2.1等密度梯度离心法 等密度梯度离心法是利用密度的差异将伴孢晶体与杂质分离,获得纯品的方

苏云金芽孢杆菌杀虫方面的研究及运用进展

苏云金芽胞杆菌杀虫方面的研究 及运用进展 摘要:人类对苏云金芽胞杆菌(Bt)的研究至今已有100多年的历史,因其具有特殊的生理特性,在微生物防治害虫方面具有重要的作用。利用微生物能直接杀死害虫却又不伤害控制害虫的天敌,最重要的是它不污染环境,害虫也更难以产生抗药性,还能通过遗传操纵改造某些性状,以便对其更好的利用。同时,随着转基因技术的兴起和发展,Bt成为转基因过程中的重要材料,在应用实践中起着巨大的作用,如今成功的转Bt产物已有:转Bt抗虫棉花、转Bt玉米以及备受争议的转基因水稻等等。本文主要叙述Bt的某些重要特征和当前的研究进展,旨在达到一种科普宣传让人们更加了解有关转Bt产物方面的知识。 关键词:苏云金芽孢杆菌、微生物防治、转基因、农业生产应用 苏云金芽胞杆菌( Bacillus thuringiensis,简称Bt )是一种杆状、革兰氏染色阳性反应、能形成内生芽胞的细菌,广泛存在于各种生态环境中。其营养体具有周生鞭毛或无鞭毛。在其芽胞期能形成对特定昆虫具有毒性的由杀虫晶体蛋白(Insecticidal Crystal Proteins, ICPs)组成的伴胞晶体,此特点成为苏云金芽胞杆菌区别于分泌肠毒素的蜡状芽胞杆菌(Bacillus cereus)和引起炭疽病的炭疽芽胞杆菌(Bacillus anthracis)的主要特征(喻子牛等,1990)。由于其独特的杀虫特性,自从1901年日本学者Ishiwata首次分离到苏云金芽胞杆菌以来,苏云金芽胞杆菌得到了广泛的关注和研究,在世界范围内已分离得到超过

40000个菌株,对其生物活性谱的了解得到了极大的扩展,由最初对鳞翅目的毒性,逐渐发现对双翅目、鞘翅目、膜翅目、同翅目等昆虫纲10个目500多种昆虫以及原生动物、线形动物门、扁形动物门中某些有害种类也有特异的生物活性(Schnepf等,1998)。 1.苏云金芽孢杆菌的毒素 毒素是苏云金杆菌杀虫的核心,主要有三种:伴孢晶体(杀虫晶体蛋白,Insecticidal Crystal Proteins,ICPs)即σ-内毒素,苏云金素即β-外毒素,芽孢。 1.1杀虫晶体蛋白(ICPs) 杀虫晶体蛋白(Insecticidal Crystal Proteins,简称ICPs)是由Cry基因和Cyt基因编码的,自从1981年克隆了第一个ICPs基因,并于1985年发表了他的核苷酸序列起,大量的ICPs基因相继被发现和克隆。他们的分类系统也从最初的基于杀虫活性和基因的同源性的分类系统变为基因的核苷酸序列及其演化关系的分类系统,并且其基因编号也该用阿拉伯数字取代了原来的罗马数字。Cry基因广泛用于转基因作物中,目前对Cry基因及其蛋白的主要分析方法有:PCR-RFLP、核酸分子杂交鉴定等。 1.1.1 ICPs基因的命名 传统命名法,Hofte和Whiteley(1989)提出根据杀虫谱进行分类的分类系统,根据基因编码的杀虫晶体蛋白的同源性及杀虫活性,已克隆的42个基因被划分为五类。其中,cryI、cryII、cryIII、cryIV编码的杀虫晶体蛋白分别特异地对鳞翅目、鳞翅目和双翅目、鞘翅目、双翅目有毒力作用,而对双翅目有生物活性且具溶细胞的作用的杀虫晶体蛋白基因则被划入cytA类。

苏云金芽孢杆菌伴孢晶体蛋白提取和纯化

苏云金芽孢杆菌伴孢晶体蛋白提取和纯化 摘要:苏云金芽孢杆菌是目前世界上研究最多、产量最大、应用范围最广的微生物杀虫剂,具有专一性强、对人畜无害、防治效果好、易生物降解及无残毒等优点。通过对苏云金芽孢杆菌伴孢晶体蛋白提取和纯化得到伴孢晶体。经过稀释分成不同的浓度分别去检测杀虫活性。 关键词:伴孢晶体,苏云金芽孢杆菌,纯化 1 材料与方法 1.1 材料 1.1.1 仪器设备和试剂 超净工作台,高压灭菌锅,离心机,冷冻干燥机,-80℃低温冰箱,透析袋,移液管,玻璃棒,电子秤,养虫缸。超纯水,0.5M/L的Nacl,生理盐水,5%的丙酮溶液。 1.1.2 研究菌株 本实验室分离自病蚕体内的苏云金芽孢杆菌。 1.1.3 供试昆虫 菜青虫。 1.1.3 培养基 种子培养基[1]:酵母浸膏0.5%,蛋白胨1.0%,NaC1 1.0%,pH值7.0。121℃灭菌30 min。蒸馏水1000 ml,pH值7.0(用NaOH调pH值)。 发酵培养基[2]:牛肉膏0.5%,蛋白胨1.0%,葡萄糖0.3%,NaC1 0.2%,MgS04·7H2O 0.03%,K2HPO4 0.03%,MnSO40.005%,蒸馏水1000 ml。调pH 7.5,121℃灭菌30 min,灭菌后pH 7.3。 1.2 方法 1.2.1 种子液的培养 在无菌的条件下,从保藏管中分别挑一环接种有种子夜培养基,30℃培养14 h。 1.2.2 菌株发酵 按照3%的接种量转接500ml的发酵培养基,30℃,120 r/min培养60 h,镜检观测80%以上的菌体裂解时停止培养,离心收集提取晶体蛋白。 1.2.3 伴孢晶体的分离纯化[4] 氨基酸可以3种形式存在,即带正电荷、带负电荷和两性离子,如在酸性溶

1000吨年苏云金芽孢杆菌厂生产工艺初步设计

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计 包文雨 (辽宁石油化工大学,石油化工学院,生物工程1102,辽宁营口,1132050215) 摘要 苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)于1901年在日本被发现,1911 年由柏林纳从地中海粉螟的患病幼虫中分离出来,并依其发现地点德国苏云金省而命名. 苏云金芽孢杆菌简称苏云金杆菌,是内生芽孢的革兰氏阳性土壤细菌,在芽孢形成初期会形成杀虫晶体蛋白对敏感昆虫有特异性的防治作用。 本设计首先初步介绍了苏云金芽孢杆菌的发展过程,然后就其产品化进行了讨论,苏云金芽孢杆菌的发酵共有两种工艺路线,即液体深层发酵和固态发酵。它们都有其优缺点,但是经过对比论证,最终选择了液体深层发酵。随后根据相关资料确定了苏云金芽孢杆菌的生产周期及期产量,依照期产量对其进行了物料衡算和热量衡算,最后对设备进行了合理的选型。 关键词:苏云金芽孢杆菌;产品化;工艺路线;设备选型

1000 tons of Bacillus thuringiensis fermentation process design workshop Bao Wenyu (Class 1102, Department of Biological Engineering, School of Environmental and Biological Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Yingkou, 1132050215, China) Abstract Bacillus thuringiensis (Bacillus thuringiensis) in 1901, was discovered in Japan in 1911 by the Berliner from the Mediterranean flour moth larvae in the prevalence of isolated and found locations in Germany according to their province and named Bacillus thuringiensis. thuringiensis Called Bacillus thuringiensis, is endogenous Gram-positive Bacillus soil bacteria, initially formed in the spore formation of insecticidal crystal protein (insecticidal crystal protein), insects have specific sensitive rats. The preliminary design of the first Bacillus thuringiensis introduced the development process, and then conducted a discussion of its products, the fermentation of Bacillus thuringiensis There are two process routes, that is, submerged fermentation and solid-state fermentation. They all have their advantages and disadvantages, but after comparison argument, I finally chose the submerged fermentation. Then determined according to the relevant information of Bacillus thuringiensis and production cycle of production, production was carried out in accordance of the material balance and heat balance, the last of the equipment for a reasonable selection Key words:Bacillus thuringiensis; product of; process routes; equipment selection

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