Regulation of polyhydroxybutyrate synthesis in the soil bacterium Bradyrhizobium diazoefficiens
- 作者
- J. I. Quelas, S. Mesa, E. J. Mongiardini, D. Jendrossek, A. R. Lodeiro
- 单位
- Laboratorio de Interacciones entre Rizobios y Soja (LIRyS) IBBM-Facultad de Ciencias Exactas, UNLP-CONICET (Argentina); Department of Soil Microbiology and Symbiotic Systems, Estación Experimental del Zaidín, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Granada (Spain); Institute of Microbiology, University Stuttgart, Stuttgart (Germany)
- 杂志
- Applied and Environmental Microbiology（2017）
- DOI
- 10.1128/AEM.00757-16
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
阐明Bradyrhizobium diazoefficiens中聚羟基丁酸脂（PHB）合成的调控机制，尤其是PhaR和phasin如何控制PHB积累及其与碳分配和共生固氮的关系。
研究策略
构建phaR、phaP1、phaP4单双突变体，结合微氧/富氧培养、qRT-PCR、透射电镜和植物接种实验，分析PHB合成、EPS产生、基因表达和共生表型。
研究路线图
核心内容
该研究以大豆慢生根瘤菌Bradyrhizobium diazoefficiens USDA 110为对象，通过构建phaR、phaP1、phaP4的单双突变体，结合微氧/富氧培养、qRT-PCR、电镜观察和植物接种实验，系统解析了PHB合成的调控机制。结果显示，PhaR直接抑制fixK2，将PHB合成与微氧代谢网络耦合；phaR突变体在微氧和富氧条件下PHB积累均严重受损，而phaP1/phaP4双突变体PHB积累约为野生型的3倍。phaR突变体中phaC2转录上调13倍，EPS产量约为野生型的4倍。双突变体形成直径0.774微米的单一大颗粒，显著大于野生型的0.521微米，表明PhaP1和PhaP4协同控制颗粒大小。竞争结瘤实验中，phaR突变体占据74%的结节并显著提高植物地上部干重，但结节内几乎无PHB积累。这些结果揭示PhaR是PHB合成的全局抑制因子，通过负调控多个靶基因控制碳分配，且该调控影响共生竞争力和宿主植物生长，为理解根瘤菌碳代谢与共生固氮的整合提供了新视角。
创新点
发现PhaR直接抑制fixK2，将PHB合成与微氧代谢调控网络耦合；证明PhaP1和PhaP4协同控制颗粒大小；揭示phaR突变体在共生中更具竞争力和促进植物生长。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bradyrhizobium diazoefficiens USDA 110 | PHB合成 | phaR | PhaR | 调控 | 转录抑制因子，负调控phaP1、phaP4、phaA1、phaA2、phaC1、phaC2和fixK2 |
| Bradyrhizobium diazoefficiens USDA 110 | PHB合成 | phaP1 | PhaP1 | 区室化 | phasin，覆盖PHB颗粒表面，控制颗粒大小，缺失导致颗粒变小数量增多 |
| Bradyrhizobium diazoefficiens USDA 110 | PHB合成 | phaP4 | PhaP4 | 区室化 | phasin，在YM条件下表达最高，对PHB亲和力最高，与PhaP1协同控制颗粒装配 |
| Bradyrhizobium diazoefficiens USDA 110 | PHB合成 | phaA1 | PhaA1 | 催化 | 3-酮酰CoA硫解酶，催化PHB合成第一步 |
| Bradyrhizobium diazoefficiens USDA 110 | PHB合成 | phaA2 | PhaA2 | 催化 | 3-酮酰CoA硫解酶，与phaA1同属PHB合成酶系 |
| Bradyrhizobium diazoefficiens USDA 110 | PHB合成 | phaC1 | PhaC1 | 催化 | PHB合酶，唯一必需的合酶，其缺失导致PHB合成缺陷 |
| Bradyrhizobium diazoefficiens USDA 110 | PHB合成 | phaC2 | PhaC2 | 催化 | PHB合酶，与PhaC1形成活性较低的异二聚体，降低总合酶活性，受fixK2正调控 |
| Bradyrhizobium diazoefficiens USDA 110 | 微氧代谢/PHB调控 | fixK2 | FixK2 | 调控 | CRP/FNR型转录因子，调控微氧生活基因，被PhaR抑制，正调控phaC2 |
关键发现
- phaR突变体在微氧培养和富氧稳定期PHB积累严重受损，而phaP1/phaP4双突变体PHB积累约为野生型的3倍
- phaR突变体中phaC2转录上调13倍、phaC1上调5倍、fixK2上调约6倍，EPS产量约为野生型的4倍
- 双突变体形成单一大颗粒（直径0.774±0.140 μm），而野生型为0.521±0.145 μm，ΔphaP1为0.304±0.115 μm，ΔphaP4为0.420±0.134 μm
- 竞争结瘤实验中，phaR突变体（permissive条件下）占据74%结节，并显著提高植物地上部干重
- 结节中phaR突变体几乎无PHB（0.03 μg/mg结节鲜重）。
研究结论
PhaR是B. diazoefficiens中PHB合成的全局抑制因子，通过负调控phasin基因、PHB合酶基因及fixK2来控制PHB积累和碳分配；PhaP1和PhaP4协同控制颗粒大小，且phaR影响共生竞争力和植物生长。