stringtranslate.com

Paenibacillus

Paenibacillus — род факультативно анаэробных , эндоспорообразующих бактерий , первоначально включенных в род Bacillus , а затем переклассифицированных в отдельный род в 1993 году. [8] Бактерии, принадлежащие к этому роду, были обнаружены в различных средах, таких как: почва, вода,ризосфера , растительные вещества, корма и личинки насекомых, а также клинические образцы. [9] [10] [11] [12] Название отражает: латинское paene означает почти, поэтому paenibacilli буквально являются «почти бациллами». Род включает P. larvae , который вызывает американский гнилец у медоносных пчел , P. polymyxa , который способен фиксировать азот , поэтому используется в сельском хозяйстве и садоводстве, Paenibacillus sp. JDR-2, который является богатым источником химических агентов для биотехнологических приложений, и формирующих паттерны штаммов, таких как P. vortex и P. dendritiformis, открытых в начале 90-х годов, [13] [14] [15] [16] [17] , которые развивают сложные колонии со сложной архитектурой [18] [19] [20] [21] [22], как показано на рисунках:

Важность

Интерес к Paenibacillus spp. быстро растет, поскольку многие из них, как было показано, важны [23] [24] [25] для сельского хозяйства и садоводства (например, P. polymyxa ), промышленного (например, P. amylolyticus ) и медицинского применения (например, P. peoriate ). Эти бактерии производят различные внеклеточные ферменты, такие как ферменты, разрушающие полисахариды, и протеазы, которые могут катализировать широкий спектр синтетических реакций в областях, начиная от косметики и заканчивая производством биотоплива . Различные Paenibacillus spp. также производят антимикробные вещества, которые влияют на широкий спектр микроорганизмов [26] [27] [28], таких как грибы, почвенные бактерии, фитопатогенные бактерии и даже важные анаэробные патогены, такие как Clostridium botulinum .

Более конкретно, несколько видов Paenibacillus служат эффективными ризобактериями, стимулирующими рост растений (PGPR), которые конкурентно колонизируют корни растений и могут одновременно действовать как биоудобрения и как антагонисты ( биопестициды ) признанных корневых патогенов, таких как бактерии, грибы и нематоды. [29] Они усиливают рост растений несколькими прямыми и косвенными механизмами. Прямые механизмы включают растворение фосфата, фиксацию азота, деградацию загрязняющих веществ окружающей среды и выработку гормонов. Косвенные механизмы включают контроль фитопатогенов путем конкуренции за такие ресурсы, как железо, аминокислоты и сахара, а также путем выработки антибиотиков или литических ферментов. [30] [31] Конкуренция за железо также служит сильной селективной силой, определяющей микробную популяцию в ризосфере. Несколько исследований показывают, что PGPR проявляют свою стимулирующую рост растений активность, лишая нативную микрофлору железа. Хотя железо широко распространено в природе, чрезвычайно низкая растворимость Fe3 + при pH 7 означает, что большинство организмов сталкиваются с проблемой получения достаточного количества железа из окружающей среды. Чтобы удовлетворить свои потребности в железе, бактерии разработали несколько стратегий, включая восстановление ионов трехвалентного железа до двухвалентных, секрецию высокоаффинных железо-хелатирующих соединений, называемых сидерофорами , и поглощение гетерологичных сидерофоров. Геном P. vortex , например, [32] содержит много генов, которые используются в этих стратегиях, в частности, он имеет потенциал для производства сидерофоров в условиях ограничения железа.

Несмотря на растущий интерес к Paenibacillus spp., геномная информация об этих бактериях отсутствует. Более обширное секвенирование генома может предоставить фундаментальное понимание путей, вовлеченных в сложное социальное поведение бактерий, и может обнаружить источник генов с биотехнологическим потенциалом.

Candidatus Paenibacillus glabratella вызывает белые узелки и высокую смертность пресноводных улиток Biomphalaria glabrata . [33] Это потенциально важно, поскольку Biomphalaria glabrata является промежуточным хозяином шистосомоза . [33]

Основной проблемой в молочной промышленности является снижение преждевременной порчи жидкого молока, вызванной микробами. [34] Paenibacillus часто выделяют как из сырого, так и из пастеризованного жидкого молока. Наиболее распространенным изолированным видом Paenibacillus является Paenibacillus odorifer . Виды рода Paenibacillus могут спорулировать, чтобы выжить при пастеризации молока, и впоследствии способны прорастать в охлажденном молоке, несмотря на низкие температуры. Многие роды бактерий имеют реакцию на холодовой шок , которая включает в себя выработку белков холодового шока, которые помогают клетке облегчить восстановление глобальной трансляции. [34] В настоящее время мало что известно о реакции на холодовой шок у Paenibacillus по сравнению с другими видами, но было показано, что виды Paenibacillus содержат много генетических элементов, связанных с реакцией на холодовой шок. [35] Было показано, что Paenibacillus odorifer несет несколько копий этих генетических элементов, связанных с холодовым шоком. [34]

Формирование паттернов, самоорганизация и социальное поведение

Несколько видов Paenibacillus могут образовывать сложные узоры на полутвердых поверхностях. Развитие таких сложных колоний требует самоорганизации и кооперативного поведения отдельных клеток с использованием сложной химической коммуникации, называемой чувством кворума . [13] [14] [18] [20] [21 ] [36] [37] [38] Формирование узоров и самоорганизация в микробных системах — интригующее явление, отражающее социальное поведение бактерий [37] [39] , которое может дать представление об эволюционном развитии коллективного действия клеток в высших организмах. [13] [37] [40] [41] [42] [43] [44]

Образец, формирующий вП. вихрь

Одним из самых интересных видов Paenibacillus , формирующих паттерн, является P. vortex , самосмазывающиеся бактерии, приводимые в движение жгутиками . [32] P. vortex организует свои колонии, генерируя модули, каждый из которых состоит из множества бактерий, которые используются в качестве строительных блоков для колонии в целом. Модули представляют собой группы бактерий, которые движутся вокруг общего центра со скоростью около 10 мкм/с.

Образец, формирующий вP. dendritiformis

Еще одной интересной моделью, формирующей вид Paenibacillus , является P. dendritiformis , который генерирует два различных морфотипа [13] [14] [18] [19] [20] [21] – морфотип с ветвями (или расщеплением кончиков) и хиральный морфотип, который характеризуется вьющимися ветвями с четко выраженной направленностью (см. рисунки).

Эти два штамма Paenibacillus , формирующих паттерны, демонстрируют множество различных физиологических и генетических признаков, включая активность, подобную β-галактозидазе, из-за которой колонии становятся синими на чашках X-gal , и множественную лекарственную устойчивость (MDR) (включая септрин , пенициллин , канамицин , хлорамфеникол , ампициллин , тетрациклин , спектиномицин , стрептомицин и митомицин C ). Колонии, выращенные на поверхностях чашек Петри, демонстрируют в несколько раз более высокую лекарственную устойчивость по сравнению с ростом в жидких средах. Считается, что эта особая устойчивость обусловлена ​​жидким фронтом, подобным поверхностно-активному веществу , который фактически формирует определенный рисунок на чашке Петри.

Ссылки

  1. ^ Гао М., Ян Х., Чжао Дж., Лю Дж., Сунь Ю.Х., Ван Ю.Дж., Сунь Дж.Г. (март 2013 г.). «Paenibacillus brassicae sp. nov., выделенный из ризосферы капусты в Пекине, Китай». Антони ван Левенгук . 103 (3): 647–653. дои : 10.1007/s10482-012-9849-1. PMID  23180372. S2CID  18884588.
  2. ^ Puri A, Padda KP, Chanway CP (октябрь 2015 г.). «Может ли диазотрофный эндофит, первоначально изолированный от сосны скрученной широкохвойной, колонизировать сельскохозяйственную культуру (кукурузу) и способствовать ее росту?». Soil Biology and Biochemistry . 89 : 210–216. doi :10.1016/j.soilbio.2015.07.012.
  3. ^ Puri A, Padda KP, Chanway CP (январь 2016 г.). «Доказательства фиксации азота и стимуляции роста канолы ( Brassica napus L.) эндофитным диазотрофом Paenibacillus polymyxa P2b-2R». Биология и плодородие почв . 52 (1): 119–125. doi :10.1007/s00374-015-1051-y. S2CID  15963708.
  4. ^ Puri A, Padda KP, Chanway CP (июнь 2016 г.). «Стимулирование роста проростков и фиксация азота бактериальным эндофитом Paenibacillus polymyxa P2b-2R и его производным GFP в кукурузе в долгосрочном исследовании». Симбиоз . 69 (2): 123–129. doi :10.1007/s13199-016-0385-z. S2CID  17870808.
  5. ^ Padda KP, Puri A, Chanway CP (апрель 2016 г.). «Влияние маркировки GFP Paenibacillus polymyxa P2b-2R на его способность способствовать росту рассады канолы и томатов». Биология и плодородие почв . 52 (3): 377–387. doi :10.1007/s00374-015-1083-3. S2CID  18149924.
  6. ^ Padda KP, Puri A, Chanway CP (7 июля 2016 г.). «Стимулирование роста растений и фиксация азота в рапсе эндофитным штаммом Paenibacillus polymyxa и его производным с меткой GFP в долгосрочном исследовании». Botany . 94 (12): 1209–1217. doi :10.1139/cjb-2016-0075.
  7. ^ Yang H, Puri A, Padda KP, Chanway CP (июнь 2016 г.). «Влияние инокуляции Paenibacillus polymyxa и различных обработок азотом почвы на рост сеянцев сосны скрученной широкохвойной». Canadian Journal of Forest Research . 46 (6): 816–821. doi :10.1139/cjfr-2015-0456. hdl : 1807/72264 .
  8. ^ Эш К., Прист Ф.Г., Коллинз М.Д.: Молекулярная идентификация бацилл рРНК группы 3 (Эш, Фэрроу, Уоллбэнкс и Коллинз) с использованием теста ПЦР-зонда. Предложение о создании нового рода Paenibacillus. Антони ван Левенгук 1993, 64:253-260.
  9. ^ Padda KP, Puri A, Chanway CP (2017). «Paenibacillus polymyxa: выдающееся биоудобрение и средство биологического контроля для устойчивого сельского хозяйства». Важные микробы для устойчивого сельского хозяйства . Springer, Сингапур. стр. 165–191. doi :10.1007/978-981-10-5343-6_6. ISBN 9789811053429.
  10. ^ McSpadden Gardener BB (ноябрь 2004 г.). «Экология Bacillus и Paenibacillus spp. в сельскохозяйственных системах». Фитопатология . 94 (11): 1252–1258. doi :10.1094/PHYTO.2004.94.11.1252. PMID  18944463.
  11. ^ Монтес М.Дж., Меркаде Э., Бозал Н., Гвинея Дж. (сентябрь 2004 г.). «Paenibacillus antarcticus sp. nov., новый психротолерантный организм из окружающей среды Антарктики». Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 54 (Часть 5): 1521–1526. дои : 10.1099/ijs.0.63078-0 . ПМИД  15388704.
  12. ^ Ouyang J, Pei Z, Lutwick L, Dalal S, Yang L, Cassai N, et al. (2008). «Отчет о случае: Paenibacillus thiaminolyticus: новая причина человеческой инфекции, вызывающая бактериемию у пациента на гемодиализе». Annals of Clinical and Laboratory Science . 38 (4): 393–400. PMC 2955490. PMID  18988935 . 
  13. ^ abcd Ben-Jacob E, Cohen I (1997). «Кооперативное формирование бактериальных паттернов». В Shapiro JA , Dworkin M (ред.). Bacteria as Multicellular Organisms . New York: Oxford University Press. стр. 394–416.
  14. ^ abc Ben-Jacob E, Cohen I, Gutnick DL (1998). «Кооперативная организация бактериальных колоний: от генотипа к морфотипу». Annual Review of Microbiology . 52 : 779–806. doi :10.1146/annurev.micro.52.1.779. PMID  9891813.
  15. ^ Ben-Jacob E, Schochet O, Tenenbaum A, Cohen I, Czirók A, Vicsek T (март 1994). "Общее моделирование кооперативных моделей роста в бактериальных колониях". Nature . 368 (6466): 46–9. Bibcode :1994Natur.368...46B. doi :10.1038/368046a0. PMID  8107881. S2CID  3054995.
  16. ^ Ben-Jacob E, Shmueli H, Shochet O, Tenenbaum A (сентябрь 1992 г.). «Адаптивная самоорганизация во время роста бактериальных колоний». Physica A: Статистическая механика и ее приложения . 187 (3–4): 378–424. Bibcode : 1992PhyA..187..378B. doi : 10.1016/0378-4371(92)90002-8.
  17. ^ Ben-Jacob E, Shochet O, Tenenbaum A, Avidan O (1995). «Эволюция сложности во время роста бактериальных колоний». В Cladis PE, Palffy-Muhorey P (ред.). NATO Advanced Research Workshop; Санта-Фе, США . Addison-Wesley Publishing Company. стр. 619–633.
  18. ^ abc Ben-Jacob E (июнь 2003 г.). «Бактериальная самоорганизация: совместное усиление комплексификации и адаптивности в динамической среде». Philosophical Transactions. Серия A, Математические, физические и инженерные науки . 361 (1807): 1283–312. Bibcode : 2003RSPTA.361.1283B. doi : 10.1098/rsta.2003.1199. PMID  12816612. S2CID  5213232.
  19. ^ ab Ben-Jacob E, Cohen I, Golding I, Gutnick DL, Tcherpakov M, Helbing D, Ron IG (июль 2000 г.). «Бактериальная кооперативная организация при антибиотиковом стрессе». Physica A: Статистическая механика и ее приложения . 282 (1–2): 247–82. Bibcode :2000PhyA..282..247B. doi :10.1016/S0378-4371(00)00093-5.
  20. ^ abc Ben-Jacob E, Cohen I, Levine H (июнь 2000 г.). «Кооперативная самоорганизация микроорганизмов». Advances in Physics . 49 (4): 395–554. Bibcode :2000AdPhy..49..395B. doi :10.1080/000187300405228. S2CID  121881941.
  21. ^ abc Ben-Jacob E, Levine H (февраль 2006 г.). «Самоинженерные возможности бактерий». Журнал Королевского общества, Интерфейс . 3 (6): 197–214. doi :10.1098/rsif.2005.0089. PMC 1618491. PMID  16849231 . 
  22. ^ Ingham CJ, Ben Jacob E (февраль 2008 г.). «Скопление и формирование сложных узоров в вихре Paenibacillus, изученное с помощью визуализации и отслеживания клеток». BMC Microbiology . 8 : 36. doi : 10.1186/1471-2180-8-36 . PMC 2268691. PMID  18298829 . 
  23. ^ Choi KK, Park CW, Kim SY, Lyoo WS, Lee SH, Lee JW (2004). «Разложение поливинилового спирта Microbacterium barkeri KCCM 10507 и Paeniblacillus amylolyticus KCCM 10508 в сточных водах окрашивания». Журнал микробиологии и биотехнологии . 14 : 1009–1013.
  24. ^ Konishi J, Maruhashi K (сентябрь 2003 г.). «2-(2'-Гидроксифенил)бензолсульфинатдесульфиназа из термофильной десульфурирующей бактерии Paenibacillus sp. штамм A11-2: очистка и характеристика». Прикладная микробиология и биотехнология . 62 (4): 356–61. doi :10.1007/s00253-003-1331-6. PMID  12743754. S2CID  7956236.
  25. ^ Nielsen P, Sørensen J (март 1997 г.). «Многоцелевой и независимый от среды грибковый антагонизм гидролитическими ферментами в штаммах Paenibacillus polymyxa и Bacillus pumilus из ризосферы ячменя». FEMS Microbiology Ecology . 22 (3): 183–192. doi : 10.1111/j.1574-6941.1997.tb00370.x .
  26. ^ Жирарден Х., Альбаньяк С., Даргайнаратц С., Нгуен-Те С., Карлин Ф. (май 2002 г.). «Антимикробная активность пищевых Paenibacillus и Bacillus spp. против Clostridium botulinum». Журнал защиты пищевых продуктов . 65 (5): 806–13. doi : 10.4315/0362-028x-65.5.806 . PMID  12030292.
  27. ^ Piuri M, Sanchez-Rivas C, Ruzal SM (июль 1998 г.). «Новая антимикробная активность штамма Paenibacillus polymyxa, выделенного из региональных ферментированных колбас». Письма в прикладную микробиологию . 27 (1): 9–13. doi :10.1046/j.1472-765x.1998.00374.x. hdl : 20.500.12110/paper_02668254_v27_n1_p9_Piuri . PMID  9722991. S2CID  34127618.
  28. ^ von der Weid I, Alviano DS, Santos AL, Soares RM, Alviano CS, Seldin L (2003). «Антимикробная активность штамма Paenibacillus peoriae NRRL BD-62 против широкого спектра фитопатогенных бактерий и грибов». Журнал прикладной микробиологии . 95 (5): 1143–51. doi :10.1046/j.1365-2672.2003.02097.x. PMID  14633044. S2CID  22884479.
  29. ^ Bloemberg GV, Lugtenberg BJ (август 2001 г.). «Молекулярная основа стимуляции роста растений и биоконтроля ризобактериями». Current Opinion in Plant Biology . 4 (4): 343–50. doi :10.1016/s1369-5266(00)00183-7. PMID  11418345.
  30. ^ Kloepper JW, Leong J, Teintze M, Schroth MN (август 1980 г.). «Усиление роста растений сидерофорами, продуцируемыми ризобактериями, способствующими росту растений». Nature . 286 (5776): 885–886. Bibcode :1980Natur.286..885K. doi :10.1038/286885a0. S2CID  40761689.
  31. ^ Ryu CM, Farag MA, Hu CH, Reddy MS, Wei HX, Paré PW, Kloepper JW (апрель 2003 г.). «Бактериальные летучие вещества способствуют росту Arabidopsis». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (8): 4927–4932. Bibcode : 2003PNAS..100.4927R. doi : 10.1073/pnas.0730845100 . PMC 153657. PMID  12684534 . 
  32. ^ ab Sirota-Madi A, Olender T, Helman Y, Ingham C, Brainis I, Roth D и др. (декабрь 2010 г.). «Геномная последовательность паттерна, формирующего бактерию Paenibacillus vortex, раскрывает потенциал для процветания в сложных условиях». BMC Genomics . 11 : 710. doi : 10.1186/1471-2164-11-710 . PMC 3012674 . PMID  21167037. 
  33. ^ ab Duval D, Galinier R, Mouahid G, Toulza E, Allienne JF, Portela J, et al. (февраль 2015 г.). «Новый бактериальный патоген Biomphalaria glabrata: потенциальное оружие для контроля шистосомоза?». PLOS Neglected Tropical Diseases . 9 (2): e0003489. doi : 10.1371/journal.pntd.0003489 . PMC 4342248. PMID  25719489 . 
  34. ^ abc Beno SM, Cheng RA, Orsi RH, Duncan DR, Guo X, Kovac J, et al. (январь 2020 г.). Marco ML (ред.). "Paenibacillus odorifer, преобладающий вид Paenibacillus, выделенный из молока в Соединенных Штатах, демонстрирует генетическую и фенотипическую консервацию психротолерантности, но различия, связанные с кладами, в путях метаболизма азота". mSphere . 5 (1). doi :10.1128/mSphere.00739-19. PMC 7407005 . PMID  31969477. 
  35. ^ Moreno Switt AI, Andrus AD, Ranieri ML, Orsi RH, Ivy R, den Bakker HC и др. (январь 2014 г.). «Геномное сравнение спорообразующих бацилл, выделенных из молока». BMC Genomics . 15 (1): 26. doi : 10.1186/1471-2164-15-26 . PMC 3902026 . PMID  24422886. 
  36. ^ Bassler BL, Losick R (апрель 2006 г.). «Бактериально говоря». Cell . 125 (2): 237–46. doi : 10.1016/j.cell.2006.04.001 . PMID  16630813. S2CID  17056045.
  37. ^ abc Ben Jacob E, Becker I, Shapira Y, Levine H (август 2004 г.). «Бактериальная языковая коммуникация и социальный интеллект». Trends in Microbiology . 12 (8): 366–372. doi :10.1016/j.tim.2004.06.006. PMID  15276612.
  38. ^ Dunny GM, Brickman TJ, Dworkin M (апрель 2008 г.). «Многоклеточное поведение бактерий: общение, сотрудничество, конкуренция и мошенничество». BioEssays . 30 (4): 296–8. doi :10.1002/bies.20740. PMID  18348154.
  39. ^ Гальперин М.Ю., Гомельский М. (2005). «Бактериальные модули передачи сигналов: от геномики к биологии». ASM News . 71 : 326–333.
  40. ^ Aguilar C, Vlamakis H, Losick R, Kolter R (декабрь 2007 г.). «Размышления о Bacillus subtilis как о многоклеточном организме». Current Opinion in Microbiology . 10 (6): 638–643. doi :10.1016/j.mib.2007.09.006. PMC 2174258. PMID  17977783 . 
  41. ^ Dwyer DJ, Kohanski MA, Collins JJ (декабрь 2008 г.). «Возможности создания сетей для бактерий». Cell . 135 (7): 1153–6. doi :10.1016/j.cell.2008.12.016. PMC 2728295 . PMID  19109881. 
  42. ^ Kolter R, Greenberg EP (май 2006). «Микробные науки: поверхностная жизнь микробов». Nature . 441 (7091): 300–2. Bibcode :2006Natur.441..300K. doi : 10.1038/441300a . PMID  16710410. S2CID  4430171.
  43. ^ Шапиро JA (1998). «Размышления о бактериальных популяциях как о многоклеточных организмах». Annual Review of Microbiology . 52 : 81–104. doi :10.1146/annurev.micro.52.1.81. PMID  9891794.
  44. ^ Шапиро JA , Дворкин М (1997). Бактерии как многоклеточные организмы (1-е изд.). США: Oxford University Press.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки