Background: Korean ginseng (Panax ginseng Meyer) is a perennial herb prone to various root diseases, with Phytophthora cactorum being considered one of the most dreaded pathogens. P. cactorum causes foliar blight and root rot. Although chemical pesticides are available for disease control, attention has been shifted to viable, eco-friendly, and cost-effective biological means such as plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) for control of diseases. Methods: Native Bacillus amyloliquefaciens strain HK34 was isolated from wild ginseng and assessed as a biological control agent for ginseng. Leaves from plants treated with HK34 were analyzed for induced systemic resistance (ISR) against P. cactorum in square plate assay. Treated plants were verified for differential expression of defense-related marker genes using quantitative reverse transcription polymerase chain reaction. Results: A total of 78 native rhizosphere bacilli from wild P. ginseng were isolated. One of the root-associated bacteria identified as B. amyloliquefaciens strain HK34 effectively induced resistance against P. cactorum when applied as soil drench once (99.1% disease control) and as a priming treatment two times in the early stages (83.9% disease control). A similar result was observed in the leaf samples of plants under field conditions, where the percentage of disease control was 85.6%. Significant upregulation of the genes PgPR10, PgPR5, and PgCAT in the leaves of plants treated with HK34 was observed against P. cactorum compared with untreated controls and only pathogen-treated plants. Conclusion: The results of this study indicate HK34 as a potential biocontrol agent eliciting ISR in ginseng against P. cactorum.
Bacillus amyloliquefaciens is an important plant disease-preventing and growth-promoting microorganism. B. amyloliquefaciens WS-8 can stimulate plant growth and has strong antifungal properties. In this study, we sequenced the complete genome of B. amyloliquefaciens WS-8 by Pacific Biosciences RSII (PacBio) Single Molecule Real-Time (SMRT) sequencing. The genome consists of one chromosome (3,929,787 bp) and no additional plasmids. The main bacteriostatic substances were determined by genome, transcriptome, and mass spectrometry data. We thereby laid a theoretical foundation for the utilization of the strain. By genomic analysis, we identified 19 putative biosynthetic gene clusters for secondary metabolites, most of which are potentially involved in the biosynthesis of numerous bioactive metabolites, including difficidin, fengycin, and surfactin. Furthermore, a potential class II lanthipeptide biosynthetic gene cluster and genes that are involved in auxin biosynthesis were found. Through the analysis of transcriptome data, we found that the key bacteriostatic genes, as predicted in the genome, exhibited different levels of mRNA expression. Through metabolite isolation, purification, and exposure experiments, we found that a variety of metabolites of WS-8 exert an inhibitory effect on the necrotrophic fungus Botrytis cinerea, which causes gray mold; by mass spectrometry, we found that the main substances are mainly iturins and fengycins. Therefore, this strain has the potential to be utilized as an antifungal agent in agriculture.
Transgenic rice plants expressing a Bacillus subtilis protoporphyrinogen oxidase (Protox), the last shared enzyme of the porphyrin pathway in the expressed cytoplasm or the plastids, were compared with non-trangenic rice plants in their growth characteristics such as tiller number, plant height, biomass, and yield. Transgenic rice plants of $\textrm{T}_3$ generation had 8 to 15 % and 25 to 43% increases in tiller number compared to non-transgenic rice plants at 4 and 8 weeks after transplanting(WAT); similar values were observed for $\textrm{T}_4$ generation at 4 and 8 WAT. However, the plant height in both $\textrm{T}_3$ and $\textrm{T}_4$ generations was similar between transgenic rice plants and non-transgenic rice plants at 4 and 8 WAT. Transgenic rice plants had 13 to 32% increase in above-ground biomass and 9 to 28% increase in grain yield compared to non-transgenic rice plants, demonstrating that biomass and yield correlate with each other. The increased grain yield of the transgenic rice plants was closely associated with the increased panicle number per plant. The percent of filled grain, thousand grains and spikelet number per panicle were similar between transgenic and non-transgenic rice plants. Generally, the growth and yield of transgenic generations ($\textrm{T}_2$, $\textrm{T}_3$, and $\textrm{T}_4$) and gene expressing sites (cytoplasm-expressed and plastid-targeted transgenic rice plants) were similar, although they slightly varied with generations as well as with gene expressing sites. The transgenic rice plants had promotive effects, indicating that regulation of the porphyrin pathway by expression of B. subtilis Protox in rice influences plant growth and yield.
Kim, Myung-Hee;Kim, Hyung-Kwoun;Oh, Byung-Chul;Oh, Tae-Kwang
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.10
no.6
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pp.764-769
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2000
The lipase gene(lip) from Bacillus stearothermophilus was recombined in vitro by utilizing the DNA shuffling technique. After four rounds of shuffling, transformation, and screening based on the initial rate of clear zone formation on a tricaprylin plate, a clone (M10) was isolated, the cell extract of which showed about 2.8-fold increased lipase activity. The DNA sequence of the mutant lipase gene (m10) showed 3 base changes, resulting in two cryptic mutations and one amino acid substitution: S113($AGC{\rightarrow}AGT$), L252 ($TTG{\rightarrow}TTA$), and G275E ($GGA{\rightarrow}GAA$). SDS-PAGE analysis revealed that the increased enzyme activity observed in M10 was partly caused by high expression of the m10 lipase gene. The amount of the expressed G275E lipase was estimated to comprise as much as 41% of the total soluble proteins of the cell. The maximum velocity ($V_{max}$) of the purified mutant enzyme for the hydrolysis of olive oil was measured to be 3,200 U/mg, which was 10% higher than that of the parental (WT) lipase (2,900 U/mg). Its optimum temperature for the hydrolysis of olive oil was $68^{\circ}C$ and it showed a typical $Ca^{2+}$-dependent thermostability, properties fo which were the same as those of the WT lipase. However, the mutant enzyme exhibited a high enantiospecificity towards (S)-naproxen compared with the WT lipase. In addition, it showed increased hydrolytic activity towards triolein, tricaprin, tricaprylin, and tricaproin.
An alkaline pectate lyase, Bsp165PelA, was purified to homogeneity from the culture broth of alkaliphilic Bacillus sp. N16-5. The enzyme showed a specific activity as high as 1,000 U/mg and had optimum activity at pH 11.5 and $50^{\circ}C$. It was composed of a single polypeptide chain with a molecular mass of 42 kDa deduced from SDS-PAGE, and its isoelectric point was around pH 6.0. It could efficiently depolymerize polygalacturonate and pectin. Characterization of product formation revealed unsaturated digalacturonate and trigalacturonate as the main products. The pectate lyase gene (pelA) contained an open reading frame (ORF) of 1,089 bp, encoding a 36-amino acids signal peptide and a mature protein of 326 amino acids with a calculated molecular mass of 35.943 Da. The deduced amino acid sequence from the pelA ORF exhibited significant homology to those of known pectate lyases in polysaccharide lyase family 1. Some conserved active-site amino acids were found in the deduced amino acid sequence of Bsp165PelA. $Ca^{2+}$ was not required for activity on pectic substrates.
In order to secrete the Bacillus subtilis cytidine deaminase (CDase, cytidine/2'-deoxycytidine deaminase) encoded by the B. subtilis cdd gene in E. coli by the aid of signal sequences, the cdd gene was fused in-frame to either amyE or penP signal sequences and the gene expression and CDase localization were examined. For the penP signal sequence::cdd fusion, the cdd gene with 9 amino acids truncated from the 5'-terminus was fused in-frame to the signal sequence, then the $cdd^{+}$ colonies were not occurred from the minimal plate by cdd complementation. The result suggests that 9 amino acids on the $NH_2-terminal$ of CDase have an essential function in the enzyme activity. The hybrid protein obtained by fused gene amyE signal sequence::cdd structural gene gave $cdd^{+}$ phenotype and about half of the total CDase activity was found to be secreted in the periplasm of E. coli transformant JF611/pSO202. The periplasmic CDase activity of JF611 harboring pSO52 containing the intact cdd gene was considerablely lower than that of the cells harboring pSO202 carrying the hybrid cdd gene. This suggests that the CDase was secreted to the periplasm through the cytoplasmic membrane by the aid of the amyE signal sequence in the E. coli transformant.
Kim, Chung-Sei;Hong, Chang-Ki;Kim, Kyoung-Yun;Wang, Xiu-Ling;Kang, Su-Il;Kim, Su-Il
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.17
no.1
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pp.37-43
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2007
A gene encoding inulin fructotransferase (di-D-fructofuranose 1,2': 2,3' dianhydride [DFA III]-producing IFTase, EC 4.2.2.18) from Bacillus sp. snu-7 was cloned. This gene was composed of a single, 1,353-bp open reading frame encoding a protein composed of a 40-amino acid signal peptide and a 410-amino acid mature protein. The deduced amino acid sequence was 98% identical to Arthrobacter globiformis C11-1 IFTase (DFA III-producing). The enzyme was successfully expressed in E. coli as a functionally active, His-tagged protein, and it was purified in a single step using immobilized metal affinity chromatography. The purified enzyme showed much higher specific activity (1,276 units/mg protein) than other DFA III-producing IFTases. The recombinant and native enzymes were optimally active in very similar pH and temperature conditions. With a 103-min half-life at $60^{\circ}C$, the recombinant enzyme was as stable as the native enzyme. Acidic residues and cysteines potentially involved in the catalytic mechanism are proposed based on an alignment with other IFTases and a DFA IIIase.
The application of Bacillus sp. in the biological control of plant soilborne diseases has been shown to be an environmentally friendly alternative to the use of chemical fungicides. In this study, the effects of bioorganic fertilizer (BOF) fortified with Bacillus amyloliquefaciens SQY 162 on the suppression of tomato bacterial wilt were investigated in pot experiments. The disease incidence of tomato wilt after the application of BOF was 65.18% and 41.62% lower at 10 and 20 days after transplantation, respectively, than in the control condition. BOF also promoted the plant growth. The SQY 162 populations efficiently colonized the tomato rhizosphere, which directly suppressed the number of Ralstonia solanacearum in the tomato rhizosphere soil. In the presence of BOF, the activities of defense-related enzymes in tomato were lower than in the presence of the control treatment, but the expression levels of the defense-related genes of the plants in the salicylic acid and jasmonic acid pathways were enhanced. It was also found that strain SQY 162 could secrete antibiotic surfactin, but not volatile organic compounds, to suppress Ralstonia. The strain could also produce plant growth promotion compounds such as siderophores and indole-3-acetic acid. Thus, owing to its innate multiple-functional traits and its broad biocontrol activities, we found that this antagonistic strain isolated from the tobacco rhizosphere could establish itself successfully in the tomato rhizosphere to control soilborne diseases.
Kim, Min-Jeong;Jang, Myoung-Uoon;Nam, Gyeong-Hwa;Shin, Heeji;Song, Jeong-Rok;Kim, Tae-Jip
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.30
no.2
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pp.155-162
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2020
Acetyl xylan esterase (AXE; E.C. 3.1.1.72) is one of the accessory enzymes for xylan degradation, which can remove the terminal acetate residues from xylan polymers. In this study, two genes encoding putative AXEs (LaAXE and BhAXE) were cloned from Lactobacillus antri DSM 16041 and Bacillus halodurans C-125, and constitutively expressed in Escherichia coli. They possess considerable activities towards various substrates such as p-nitrophenyl acetate, 4-methylumbelliferyl acetate, glucose pentaacetate, and 7-amino cephalosporanic acid. LaAXE and BhAXE showed the highest activities at pH 7.0 and 8.0 at 50℃, respectively. These enzymes are AXE members of carbohydrate esterase (CE) family 7 with the cephalosporine-C deacetylase activity for the production of antibiotics precursors. The simultaneous treatment of LaAXE with Thermotoga neapolitana β-xylanase showed 1.44-fold higher synergistic degradation of beechwood xylan than the single treatment of xylanase, whereas BhAXE showed no significant synergism. It was suggested that LaAXE can deacetylate beechwood xylan and enhance the successive accessibility of xylanase towards the resulting substrates. The novel LaAXE originated from a lactic acid bacterium will be utilized for the enzymatic production of D-xylose and xylooligosaccharides.
We have developed an efficient and precise method for genome manipulations in Bacillus subtilis that allows rapid alteration of a gene sequence or multiple gene sequences without altering the chromosome in any other way. In our approach, the Escherichia coli toxin gene mazF, which was used as a counter-selectable marker, was placed under the control of a xylose-inducible expression system and associated with an antibiotic resistance gene to create a "mazF-cassette". A polymerase chain reaction (PCR)-generated fragment, consisting of two homology regions joined to the mazF-cassette, was integrated into the chromosome at the target locus by homologous recombination, using positive selection for antibiotic resistance. Then, the excision of the mazF-cassette from the chromosome by a single-crossover event between two short directly repeated (DR) sequences, included in the design of the PCR products, was achieved by counter-selection of mazF. We used this method efficiently and precisely to deliver a point mutation, to inactivate a specific gene, to delete a large genomic region, and to generate the in-frame deletion with minimal polar effects in the same background.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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