基因envZ、iscS、asnC调控根瘤菌胞外多糖产量和环境适应性
杨冰洁，袁晓霞，高梦哲，申奥龙，李华，冀照君
DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0388
近日，《生物技术通报》在线发表了题为《基因envZ、iscS、asnC调控根瘤菌胞外多糖产量和环境适应性》的研究报告。本研究基于已构建的envZ、iscS、asnC单基因缺失突变株，以出发菌株CCBAU 01603作为阳性对照，以进化菌株Alk_40作为阴性对照，探究关键基因envZ、iscS、asnC对根瘤菌胞外多糖产量、耐受盐、酸、碱等环境适应性、热敏感性等调控作用，为揭示根瘤菌长期生存于瘠薄土壤中的环境适应性机制提供借鉴。
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R.yanglingense CCBAU 01603是一株能与锦鸡儿、黄芪等豆科植物形成高效共生固氮体系的根瘤菌。前期研究以CCBAU 01603为出发菌株连续传代，得到一株基因组上iscS、envZ、asnC发生SNPs变化，胞外多糖产量降低、共生固氮效率丧失的进化菌株Alk_40。其中基因envZ编码双组分系统OmpR家族中渗透压传感器组氨酸激酶EnvZ，能够感受外界环境变化并作出应激反应，EnvZ的催化结构域在溶液中形成稳定的同型二聚体，由具有2重对称的四螺旋束组成，每个单体含有两个α螺旋（α1和α2），其中螺旋α1内部是一个动态不稳定区域，该区域对细胞内信号非常敏感，包括酸性pH值和高渗透压，这表明组氨酸激酶EnvZ的缺失将会导致根瘤菌对盐、酸、碱等环境因子敏感，耐受环境因子的能力减弱，因此，基因envZ对于根瘤菌环境适应性至关重要。然而，关于组氨酸激酶EnvZ调控根瘤菌胞外多糖的研究尚未报道，有待于进一步深入研究。
基因iscS调控半胱氨酸脱硫酶IscS的合成，参与多种含硫分子在体内重要生命过程中发挥作用，如线粒体基本功能的铁硫（Fe/S）蛋白合成过程，曾有学者发现在根瘤菌基因组上的nifS-like基因对高渗透压环境的适应能力可能与铁硫蛋白有关，这与本实验中突变株ΔiscS在高盐、强碱逆境中的适应性低于野生型菌株CCBAU 01603，证明iscS具有调控根瘤菌在高浓度盐碱环境中的适应性功能，但低浓度盐碱环境中基因iscS的调控作用不显著，具体分子机制仍需进一步研究。
亮氨酸响应调节蛋白/天冬酰胺合成酶C（Lrp/AsnC）转录调节家族蛋白的大约由60个氨基酸组成，C端具有典型的αβ-三明治折叠结构域，可与小分子结合，进而可以在不同营养丰度的生长环境中调节氨基酸代谢。分枝杆菌属、假单胞菌属相关研究发现，Lrp/AsnC能够参与氨基酸代谢、脂肪合成、DNA修复和重组、生物膜形成、毒力因子、抗生素耐药性、宿主体内适应性等，可通过精氨酸脱羧酶途径保护膜免受脂质过氧化。还有研究发现，大肠杆菌AsnC是一种特异性基因调节剂，活性由天冬酰胺结合触发。本研究中asnC基因缺失突变株胞外多糖产量显著降低，可能是由于Lrp/AsnC调控根瘤菌生物膜的形成过程被抑制，进而降低了根瘤菌的耐热性和环境适应性。
根瘤菌胞外多糖（EPS）合成与分泌的基因以基因簇形式通常位于染色体或质粒上，位于染色体区域参与EPS产生的基因簇称为Pss-I，该区域在所有已测序的基因组中高度保守。本研究发现单基因缺失突变株ΔenvZ、ΔiscS、ΔasnC的胞外多糖产量均低于野生型菌株，表明关键基因iscS、envZ、asnC也能够调控根瘤菌胞外多糖产量，具体调控机制尚需进一步研究。
研究表明胞外多糖产量可以影响菌体对盐度、干旱、温度、重金属毒性抵抗能力和抗氧化能力，进化菌株Alk_40基因组上3个基因iscS、envZ、asnC发生特异性SNPs变化导致耐盐碱能力更强，然而本研究表明单基因缺失突变株ΔenvZ、ΔiscS、ΔasnC胞外多糖产量均显著降低，但盐、碱环境适应性和温度敏感性与出发菌株CCBAU 01603无显著差异，这可能与iscS、envZ、asnC基因的调控分子机制有关，有待于后续开展深入研究。
本研究发现了调控根瘤菌胞外多糖产量降低的3个新基因iscS、envZ、asnC，其均能调控根瘤菌对盐、酸、碱环境适应性和热敏感性发生改变。
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