苏云金芽胞杆菌资源多样性分析与杀虫基因发掘

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苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis, Bt),革兰氏阳性细菌,在芽胞形成期可产生具有杀虫活性的伴胞晶体。Bt晶体主要由cry基因编码的杀虫晶体蛋白组成,在害虫的防治中具有重要作用,有巨大的商业价值,因此发掘新基因并进行知识产权保护是Bt资源研究的重要内容。知识产权作为综合竞争力的重要体现,而目前我国在Bt杀虫基因资源的知识产权方面处于劣势,大部分Bt杀虫基因的专利权掌握在西方各大型农业生物技术企业手中,我国掌握的Bt新的基因发明专利不足60项。高通量测序技术的发展为发掘杀虫基因提供了新思路,成为国内外发掘Bt杀虫基因的主要手段。但是测序价格较高,Bt资源库中存在的冗余菌株会造成较大的资金浪费,目前尚没有便捷的方法去除重复菌株。因此,迫切需要建立可以快速分析比较大量样品的方法,来排除重复菌株,进一步提高杀虫基因发掘效率。本论文在分离1500株Bt菌株的基础上,进一步建立了菌株多样性分析方法,对菌株多样性进行研究,去除冗余菌株,对其中90株菌株进行了杀虫基因测序筛选,主要结果如下:Bt菌株分离与鉴定:杀虫活性评估结果显示多数菌株对鳞翅目害虫有较高活性,1500株测试菌株中,对棉铃虫有活性的菌株有1346株,对玉米螟有活性菌株有813株,而对叶甲类害虫大猿叶甲有活性的菌株较少,只有42株;镜检结果显示不同菌株产生的晶体形状、大小、种类有较大差异,晶体种类主要为菱形,部分为球形和不规则的晶体形状;杀虫晶体蛋白图谱显示大部分菌株表达了130kD蛋白,部分菌株还表达了100Kd、60kD蛋白,具有典型Bt杀虫晶体蛋白的特征;质粒图谱显示不同菌株质粒图谱条带数量和大小都有所不同,并且有部分菌株图谱相似,说明资源库中有冗余菌株。建立Bt菌株多样性分析方法:首先,设计了可以扩增多个基因家族的兼并引物,fastPCR软件分析结果显示该引物可以对超过30种的杀虫基因家族进行较好的扩增,PCR实验检测显示,该引物可以扩增出预期条带但是条带较弱。进一步通过增加侧翼特异序列的办法对兼并引物进行改良,改良后的引物显著提高了扩增效率。同时,还对引物浓度与退火温度进行了优化,利用72个不同血清型的标准菌对优化后的PCR体系进行了评估,结果显示95%以上的菌株都可以获得预期条带;利用含有多个基因的HD12菌株评估了优化后体系对多个基因同时扩增的能力,结果显示优化后的PCR可以从HD12获得9种不同的RFLP类型。这些结果说明优化后的PCR体系具备了cry基因指纹图谱的基本要求。此外,本论文还对Bt基因组提取方法进行了改良,改良后的方法可以提取并获得质量均一的基因组DNA。用改良的PCR体系对Bt基因组进行扩增,并用HinfI对PCR产物进行消化,利用LabChip GX电泳系统进行分析,获得了888个菌株的RFLP图谱。进一步对电泳图谱进行数字化、计算相似性、构建系统发生树分析。结果显示,该方法可以有效分析菌株多样性,去除冗余菌株,获得可用于进一步基因发掘的菌株。90株Bt菌株杀虫基因测序筛选:利用高通量测序技术分析了90株不同的Bt菌株的序列,进一步通过SOAPdenovo软件拼接、GeneMark基因预测、模式杀虫基因数据库及专利数据库blast比对,最终获得全新杀虫基因21个。总之,本论文建立菌株多样性研究方法,解决了冗余菌株会造成资金的浪费的问题,最终完成了“菌株分离去除冗余基因测序筛选”这一杀虫基因高通量发掘平台的构建,为提升我国在Bt资源发掘中的竞争力提供了重要保障。
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