苏云金芽孢杆菌伴孢晶体的形成及降解
ChineseAgriculturalScienceBulletinVol.23No.92007September
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苏云金芽孢杆菌伴孢晶体的形成及降解
朱育菁,蓝江林,阮传清,刘芸,刘波
(福建省农业科学院生物技术研究所,福州350003)
摘要研究苏云金芽孢杆菌【:研究目的】(Bacillusthuringiensis,Bt)伴孢晶体的形成及降解,为其生物学特性的系统研究和活性成分分析提供理论基础将Bt菌株HD-1在牛肉膏蛋白胨固体培养【。方法】基上30℃下培养24h,制成菌悬液后用日本电子JEM100-CX-II透射电子显微镜观察伴孢晶体的形成。采用五种溶解方法降解Bt菌株HD-1和LSZ9408伴孢晶体后,进行SDS-PAGE电泳【此。结果】研究的电镜观察表明BtHD-1在分裂过程中形成芽孢和晶体,晶体为大菱形。BtLSZ9408晶体含有
130和65kDa的毒蛋白,HD-1晶体含有130、65和25kDa的毒蛋白。BtLSZ9408和HD-1伴【结论】
孢晶体都包含CryI和CryII蛋白质毒素。
关键词:苏云金芽孢杆菌;伴孢晶体;降解中图分类号:Q934
文献标识码:A
FormationandDecompositionofCrystalofBacillusthuringiensis
ZhuYujing,LanJianglin,RuanChuanqing,LiuYun,LiuBo
(InstituteofBiotechnology,FujianAcademyofAgriculturalSciences,Fuzhou350003)
【OBJECT】Abstract:TostudytheformationanddecompositionofcrystalofBacillusthuringiensis(Bt),and
supplytheoreticsbasisforsystmicstudyonitsbiologicalcharacteristicandanalysisofitsactivecompo-nent.【METHOD】BtstrainHD-1wasculturedonNAculturemediafor24hunder30℃,andthenwasmadeintobacterialsuspensionandobservedtheformationofcrystalwithtransmissionelectronmicroscope(JEM100-CX-II).FivedissolutionmethodswereusedtodecomposethecrystalsofBtHD-1andBtLSZ9408,afterthatSDS-PAGEwasconducted.【RESULTS】BtHd-1formedsporesandcrystalsduringsplitprocess,andtheshapeofcrystalwasbigdiamond.BtLSZ9408contained130and65kDatoxicpro-teins,whileBtHD1had130,65and25kDatoxicproteins.【CONCLUSION】BothofcrystalsofBtLSZ9408andHD-1containedCryIandCryIItypeproteintoxins.Keywords:Bacillusthuringiensis,Crystal,Decomposition苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis,简称Bt)是一类包括许多亚种并对多种昆虫具有高毒力的产晶体芽孢杆菌[1]。自20世纪初被发现以来,世界各国又相继从昆虫体内或土壤中分离出该种细菌,全世界收集保藏的Bt已达4万株,在害虫的防治中发挥了巨大的作用,是近年来发展最快、应用最广的微生物杀虫
剂[2]。中国地域辽阔、生态环境复杂多样,微生物资源极其丰富,BtLSZ9408(B.thuringiensissubsp.kurstaki)是福建省农科院生物技术研究所分离的、对多种鳞翅目具有高毒力的Bt菌株,有较大的应用潜力[3,4]。
Bt大多数菌株都能产生多种类型的晶体蛋白,不
同亚种甚至同一亚种不同菌株杀虫晶体蛋白的多肽成
基金项目:国家自然科学基金“新型生物杀虫剂BtA的藕合技术及其杀虫效果的研究”(30471175);2006年留学人员择优资助项目“新型生物杀虫剂
BtA的藕合机理的研究”。
第一作者简介:朱育菁,女,1972年出生,福建省福州市人,副研究员,博士。从事植物病虫害生物防治研究。通信地址:350003福州市五四路247号,
福建省农科院生物技术研究所。Tel:0591-87848933,E-mail:zyjingfz@163.com。
通讯作者:刘波,男,1957年出生,福建省惠安人,研究员,博士,从事植物病虫害生物防治研究。通信地址:350003福建省福州市五四路247号。
E-mail:laeptb@163.com。
收稿日期:2007-05-09,修回日期:2007-06-04。
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分都不同,杀虫蛋白晶体由多种蛋白多肽组成,这些蛋白多肽在不同类型杀虫蛋白中以不同方式结合而构建蛋白晶体[5]。CryI、CryIVA和CryIVB蛋白的C端区域结构相似,富含半胱氨酸蛋白多肽之间通过二硫键能自我积聚,形成稳定晶体结构,这类伴胞晶体需要一个更严格的理化条件才能形成一个可溶和具有活性的杀虫蛋白结晶。CryIIIA蛋白由于其C端区域并不富含半胱氨酸,组成蛋白晶体的蛋白多肽之间并不是由二硫键相连而是盐桥作用构成伴胞晶体。71kDa的CryIIA蛋白、72kDa的CryIVD蛋白和27kDa的CytA蛋白晶体形成和稳定需要其它多种辅助蛋白(P19,P20,orf1,orf2)存在,表现出苏云金芽孢杆菌杀虫蛋白晶体形成的多样性。由于杀虫晶体蛋白这些组成上的差异,其溶解性也是多种多样[6]。
笔者利用透射电镜观察了Bt标准菌株HD-1(B.并thuringiensissubsp.kurstaki)的伴孢晶体形成过程,采用五种溶解方法对Bt菌株HD-1和LSZ9408伴孢晶体进行降解,并进行用胰蛋白酶进行激活,为Bt生物学特性的系统研究和活性成分分析提供理论基础。1材料与方法
地点1.1试验时间、
30min,离心前称重离心管重。芽孢的初分离。离心后称取沉淀物湿重,将沉淀(晶体和芽孢的混合物)重新悬浮在蒸馏水中,使成为每毫升含菌0.07g湿重的菌悬液。用快速混匀器振荡,此时液面上产生很多泡沫,泡沫里含有大量的芽孢和较少的晶体及营养体碎片。将泡沫取出,继续振荡,重复数次,直至泡沫减少为止。(2)液体双相分离:将上述去掉泡沫的悬浮液倒入分液体积漏斗中,然后加入1%硫酸钠水溶液与四氯化碳)比为(7:6:7)振荡10min,静置10min,此时有机相与水相分开。晶体与很少的芽孢进入上层水相。将油相由分8000rpm离心液漏斗下方流出,从漏斗上方倒出水相,30min,将沉淀用重蒸馏水洗一次再离心。将沉淀物称重、镜检,用水稀释至湿重为10mg/ml的菌悬液。1.3.3伴孢晶体的降解方法(1)采用标准方法[8,9]降HCl(pH解和激活伴孢晶体,即50mmol/LNa2CO3・9.5)含5%β-巯基乙醇处理伴胞晶体,37℃温育1h;用胰蛋白酶激活晶体蛋白(与晶体蛋白按1:50混合),37℃温育1h。
(2)0.1NNa2CO3・HCl含1%DTT(pH9.5),37℃温育1h。
(3)1NNaOH(pH=9.5),30℃温育4h。
(4)1NNaOH2%的β-巯基乙醇,4℃冰箱保存过夜。
(5)Tris-HCl(pH=9.5)含2%的DTT,37℃温育1h,4℃保存过夜。
伴孢晶体用上述方法处理后,用12000r/min、4℃离心10min,取上清液备样。
1.3.4SDS-PAGE电泳参照分子克隆实验指南(萨姆
[10]
2002)进行SDS-PAGE电泳,分子量标准为布鲁克,
试验于在2006年在福建省农科院生物技术研究所进行。1.2试验材料
BtHD-1菌株由华中农业大学农业微生物学国家重点实验室孙明博士赠予。BtLSZ9408由福建省农科院生物技术研究所生物农药研究中心菌种室提供。培养基为牛肉膏蛋白胨固体培养基。1.3试验方法
1.3.1Bt伴孢晶体形成的电镜观察将BtHD-1在牛肉膏蛋白胨固体培养基上30℃下培养24h,而后用少量无菌水冲洗菌苔,用接种环刮下,制成菌悬液保存于1.5ml离心管中。电镜观察在福建省农科院电镜室进行,采用日本电子JEM100-CX-II透射电子显微镜(性能指标:点分辨率为0.04nm;晶格分辨率为0.2nm;最大倍数为45万)。
1.3.2伴孢晶体的提纯依据刘波等(2005)的方法[7](1)菌的培养和洗涤:将LSZ9408和HD-1菌接种在牛肉膏蛋白胨固体培养基上,培养到芽孢、晶体游离,然后用0.85%生理盐水将培养物洗下,5000r/min离心
预混合蛋白标准P7702V(BioLabs),分离胶浓度为10%,层积胶浓度为5%,考马斯亮蓝法染色。2结果与分析
2.1Bt晶体形成的电镜观察
培养24h的Bt菌株HD-1的透射电镜观察见图1。电镜观察表明:HD-1菌体为短杆状,细胞分裂时形成隔膜,隔膜的形成启动了芽孢和晶体的形成,隔膜中间向母细胞一端凸出形成脊,后隔膜两侧向端部移动,两边速度不一样,形成亚极型前芽孢,最后连接,前芽孢形成。芽孢形成于远离隔膜的一端,晶体形成在在隔膜的一端。芽孢和晶体在成熟后从细胞中脱离,晶体为
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正在分裂的
细胞,芽孢正在形成
分裂时形成的隔膜
三联体
二联体
正在分裂的细胞,形成隔膜,而后形成前芽孢。
对称分裂和不对称分裂
二联体和三联体
在细胞体内形成游离的芽孢
在细胞体内形成的完整的晶体
细胞体内正在形成的晶体和芽孢
细胞体内正在形成的晶体和芽孢
正在脱落的芽孢
细胞体内形成的成熟的晶体和芽孢
正在脱落芽孢的细胞脱落的芽孢
分裂后形成的子细胞
正在脱落的芽孢
正在分裂的细胞
芽孢衣
脱落的晶体
已脱落的芽孢和晶体芽孢一,芽孢外有一层纤维状的芽孢衣
芽孢二菱形的晶体
菱形的晶体一端带缺口的菱形晶体
图1培养24h的Bt菌株HD-1的透射电镜观察
菱形,芽孢椭圆形,外带有芽孢衣。2.2Bt伴孢晶体的降解和激活
采用液体双相分离法提纯BtHD-1和LSZ9408晶体,分别得湿重为1.11g和0.7g的晶体,镜检观察纯
度在90%以上,含有部分芽孢和菌体。SDS-PAGE电泳试验结果见图2,BtLSZ9408和HD-1的晶体用标准方法降解后均出现明显条带,其它的处理未出现明显条带。BtLSZ9408有2条主要条带,分子量分别约
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图2Bt菌株晶体的降解与激活
为130和65kDa,BtHD-1有3条主要的条带,分子量分别约为130、65和25kDa。用标准方法激活(降解1)后,BtLSZ9408的130kDa仍然存在,但含量减少,而65kDa的条带变弱,但在130 ̄65kDa之间出现约6条带;Bt菌株的130kDa的带变得非常弱,但保留着65kDa的主要条带,25kDa的带也变为弱带。3讨论与小结
苏云金芽孢杆菌产生的杀虫晶体蛋白可分为3种类型:130 ̄145kDa、65 ̄78kDa和27kDa。不同的亚种或菌株,其伴孢晶体可由单一的蛋白质毒素组成,也可能由两个或多个不同大小级别的蛋白质毒素组成。对鳞翅目害虫有毒性的蛋白主要是前两种类型的蛋白[11]。该研究的电镜观察表明Bt菌株HD-1在分裂过程中形成芽孢和晶体,晶体为大菱形。前期的预备试验还发现BtLSZ9408晶体形态多种,除有菱形晶体外,还带有不同大小的小方形的晶体。
大量的研究发现,有些Bt菌株能产生多分子量的复合蛋白。毒蛋白的分子量一般在125 ̄138kDa、65 ̄75kDa或25 ̄28kDa[6]。研究的SDS-PAGE电泳结果表明,BtLSZ9408晶体含有130和65kDa的毒蛋白,HD-1晶体含有130、65和25kDa的毒蛋白。采用50mmol/LNa2CO3・HCl(pH9.5)含5%β-巯基乙醇处理伴胞晶体,BtLSZ9408的65kDa蛋白溶解,而Bt菌株HD-1的130kDa蛋白溶解。其它的溶解处理和激活处理未出现条带,可能与电泳样品的浓度不足相关,需做进一步的试验。
Lereclus等(1993)[12]将苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋白的SDS-PAGE图谱分为5类:一类含CryI和CryII,分子量约为130 ̄140kDa和67kDa;二类仅含
CryI,分子量约为130 ̄140kDa,三类仅含CryIII,分子量约为67kDa,四类则为CryIV,分子量为130,67和27kDa,另一类则仅含分子量约为40 ̄45kDa的杀虫晶体蛋白,各类都表现出不同的杀虫活性谱。并且CryI蛋白一般在pH=9.5条件下溶解,CryII则要求pH约为12才能完全溶解。研究结果表明BtLSZ9408和HD-1都包含CryI和CryII蛋白。BtHD-1的结果与张的相同,他们报道HD-1的晶体蛋白组宏宇等(2000)成为CryIA(a)28%,CryIA(b)39%,CryIA(c)33%,CryI-CryIIB[6];但是却发现多了一条在25kD左右的蛋IA,
白带。同时这两种菌株的CryI蛋白都在pH=9.5条件下溶解。
由于细胞产生的蛋白水解酶总是粘附于伴胞晶体,杀虫晶体蛋白在制样过程中往往产生不同程度的酶解,而并未完全准确反映多肽的实际分子量[8]。研究结果也发现除了主要条带外,还有其它非主要的条带产生,可能与酶解有关。
为了对苏云金芽孢杆菌杀虫蛋白晶体的多肽组成有了一个更清晰,更准确的认识,目前常用的方法是对杀虫晶体蛋白基因的克隆,目前已被克隆和序列化的116个杀虫晶体蛋白基因表达的蛋白质产物,分子量从27kDa到140kDa不等
[9]
。因此将进一步对这两种
Bt菌株的杀虫晶体蛋白基因的克隆。
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(责任编辑:李碧鹰)