Rhizobium and related genera are soil bacteria with great metabolic plasticity. These microorganisms survive in many different environments and are capable of eliciting the formation of nitrogen-fixing nodules on legumes. The successful establishment of symbiosis is precisely regulated and requires a series of signal exchanges between the two partners. Quorum sensing (QS) is a prevalent form of population density-dependent gene regulation. Recently, increasing evidence indicates that rhizobial quorum sensing provides a pervasive regulatory network, which plays a more generalized role in the physiological activity of free-living rhizobia, as well as during symbiosis. Several rhizobia utilize multiple, overlapping quorum sensing systems to regulate diverse properties, including conjugal transfer and copy number control of plasmids, exopolysaccharide biosynthesis, rhizosphere-related functions, and cell growth. Genomic and proteomic analyses have begun to reveal the wide range of functions under quorum-sensing control.
Many plant-pathogenic bacteria are dependent on quorum sensing (QS) to evoke disease. In this study, the population of QS and quorum quenching (QQ) bacteria was analyzed in a consecutive monoculture system of Pseudostellaria heterophylla. The isolated QS strains were identified as Serratia marcescens with SwrIR-type QS system and exhibited a significant increase over the years of monoculture. Only one QQ strain was isolated from newly planted soil sample and was identified as Bacillus thuringiensis, which secreted lactonase to degrade QS signal molecules. Inoculation of S. marcescens to P. heterophylla root could rapidly cause wilt disease, which was alleviated by B. thuringiensis. Furthermore, the expression of lactonase encoded by the aiiA gene in S. marcescens resulted in reduction of its pathogenicity, implying that the toxic effect of S. marcescens on the seedlings was QS-regulated. Meanwhile, excess lactonase in S. marcescens led to reduction in antibacterial substances, exoenzymes, and swarming motility, which might contribute to pathogensis on the seedlings. Root exudates and root tuber extracts of P. heterophylla significantly promoted the growth of S. marcescens, whereas a slight increase of B. thuringiensis was observed in both samples. These results demonstrated that QS-regulated behaviors in S. marcescens mediated by root exudates played an important role in replanting diseases of P. heterophylla.
Park, Su-Jin;Park, Sun-Yang;Ryu, Choong-Min;Park, Seung-Hwan;Lee, Jung-Kee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.18
no.9
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pp.1518-1521
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2008
Bacteria sense their population density and coordinate the expression of target genes, including virulence factors in Gram-negative bacteria, by the N-acylhomoserine lactones (AHLs)-dependent quorum sensing (QS) mechanism. In contrast, several soil bacteria are able to interfere with QS by enzymatic degradation of AHLs, referred to as quorum quenching. A potent AHL-degrading enzyme, AiiA, from Bacillus thuringiensis has been reported to effectively attenuate the virulence of bacteria by quorum quenching. However, little is known about the role of AiiA in B. thuringiensis itself. In the present study, an aiiA-defective mutant was generated to investigate the role of AHA in rhizosphere competence in the root system of pepper. The aiiA mutant showed no detectable AHL¬-egrading activity and was less effective for suppression of soft-rot symptom caused by Erwinia carotovora on the potato slice. On the pepper root, the survival rate of the aiiA mutant significantly decreased over time compared with that of wild type. Interestingly, viable cell count analysis revealed that the bacterial number and composition of E. carotovora were not different between treatments of wild type and the aiiA mutant. These results provide evidence that AHA can play an important role in rhizosphere competentce of B. thuringiensis and bacterial quorum quenching to Gram-negative bacteria without changing bacterial number or composition.
Infections with Pseudomonas aeruginosa are difficult to treat not only because it is often associated with multidrug-resistant infections but also it is able to form biofilm. The aim of this study was to evaluate the antibiofilm and anti-Quorum Sensing (QS) activities of Thymbra capitata essential oils (EOs) against Beta Lactamase (BL) producing P. aeruginosa and the reference strain P. aeruginosa 10145. GC/MS analysis showed that thymol (23.25%) is the most dominant compound in T. capitata EOs. The MICs of T. capitata EOs against P. aeruginosa (BL) and P. aeruginosa 10145 were 1.11%. At sub MIC (0.041, 0.014 and 0.0046%), the EOs of T. capitata remarkably inhibited the biofilm formation of both strains tested and complete inhibition of the biofilm formation was reported at 0.041%. The EOs of T. capitata were found to inhibit the swarming motility, aggregation ability and hydrophobic ability of P. aeruginosa (BL) and P. aeruginosa 10145. Interestingly, the EOs of T. capitata reduce the production of three secreted virulence factors that regulated by QS system including pyocyanin, rhamnolipids and LasA protease. The potent antibiofilm and anti-QS activities of T. capitata EOs can propose it as a new antibacterial agent to control pseudomonas infections.
Shin-Yae Choi;In-Young Chung;Hee-Won Bae;You-Hee Cho
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.34
no.4
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pp.795-803
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2024
Microorganisms usually coexist as a multifaceted polymicrobial community in the natural habitats and at mucosal sites of the human body. Two opportunistic human pathogens, Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus commonly coexist in the bacterial infections for hospitalized and/or immunocompromised patients. Here, we observed that autolysis of the P. aeruginosa quorum-sensing (QS) mutant (lasRmvfR) was suppressed by the presence of the S. aureus cells in vitro. The QS mutant still displayed killing against S. aureus cells, suggesting the link between the S. aureus-killing activity and the autolysis suppression. Independent screens of the P. aeruginosa transposon mutants defective in the S. aureus-killing and the S. aureus transposon mutants devoid of the autolysis suppression revealed the genetic link between both phenotypes, suggesting that the iron-dependent metabolism involving S. aureus exoproteins might be central to both phenotypes. The autolysis was suppressed by iron treatment as well. These results suggest that the interaction between P. aeruginosa and S. aureus might be governed by mechanisms that necessitate the QS circuitry as well as the metabolism involving the extracellular iron resources during the polymicrobial infections in the human airway.
Ryu, Choong-Min;Choi, Hye Kyung;Lee, Chi-Ho;Murphy, John F.;Lee, Jung-Kee;Kloepper, Joseph W.
The Plant Pathology Journal
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v.29
no.2
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pp.182-192
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2013
Numerous root-associated bacteria (rhizobacteria) are known to elicit induced systemic resistance (ISR) in plants. Bacterial cell-density-dependent quorum sensing (QS) is thought to be important for ISR. Here, we investigated the role of QS in the ISR elicited by the rhizobacterium, Serratia marcescens strain 90-166, in tobacco. Since S. marcescens 90-166 produces at least three QS signals, QS-mediated ISR in strain 90-166 has been difficult to understand. Therefore, we investigated the ISR capacity of two transgenic tobacco (Nicotiana tabacum) plants that contained either bacterial acylhomoserine lactone-producing (AHL) or -degrading (AiiA) genes in conjunction with S. marcescens 90-166 to induce resistance against bacterial and viral pathogens. Root application of S. marcescens 90-166 increased ISR to the bacterial pathogens, Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum and Pseudomonas syringae pv. tabaci, in AHL plants and decreased ISR in AiiA plants. In contrast, ISR to Cucumber mosaic virus was reduced in AHL plants treated with S. marcescens 90-166 but enhanced in AiiA plants. Taken together, these data indicate that QS-dependent ISR is elicited by S. marcescens 90-166 in a pathogen-dependent manner. This study provides insight into QS-dependent ISR in tobacco elicited by S. marcescens 90-166.
Membrane biofouling impedes wide application of membrane bioreactor (MBR) for wastewater treatment. Recently, quorum sensing (QS) mechanisms are accounted for one of major mechanisms in biofouling of MBRs. In this study, vanillin was applied to investigate reduction of biofouling in MBRs. MBR sludge was analyzed to contain QS signal molecules by cross-feeding biosensor assay and HPLC. In addition, the inhibitory activity of vanillin against bacterial quorum sensing was verified using an indicator strain CV026. The vanillin doses greater than 125 mg/L to 100 mL of MBR sludge showed 25% reduction of biofilm formed on the membrane surfaces. Two MBRs, i.e., a typical MBR as a control and an MBR with vanillin, were operated. The TMP increases of the control MBR were more rapid compared to those of the MBR with the vanillin dose of 250 mg/L. The treatment efficiencies of the two MBRs on organic removal and MLSS were maintained relatively constant. Extracellular polymeric substance concentrations measured at the end of the MBR operation were 173 mg/g biocake for the control MBR and 119 mg/g biocake for the MBR with vanillin. Vanillin shows great potential as an anti-biofouling agent for MBRs without any interference on microbial activity for wastewater treatment.
Bacterial cell-to-cell communication, termed quorum sensing (QS), leads to coordinated group behavior in a cell-density-dependent fashion and controls a variety of physiological processes including virulence gene expression. The repressor of the lsr operon, LsrR, is the only known regulator of LuxS/AI-2-mediated QS in Salmonella. Although lack of lsrR did not result in noticeable differences in Salmonella survival, the down-regulation of QS as a result of lsrR overexpression decreased Salmonella survival within macrophages. We found that impaired growth of Salmonella overexpressing lsrR within macrophages was due largely to its hypersensitivity to NADPH-dependent oxidative stress. This, in turn, was a result of decreased expression of genes involved in the oxidative stress response, such as sodA, sodCI, and sodCII, when lsrR was overexpressed. These results suggest that down-regulation of QS by excess LsrR can lower Salmonella virulence by hampering Salmonella evasion from oxidative killing within macrophages.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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