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@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 thuringiensisTan Shouhu 1,3Zhang 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@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.KeywordsBacillus 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(/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)。