P. agarexedens P. agaridevorans P. alginolyticus P. щелочные терры P. alvei P. amylolyticus P. anaericanus P. antarcticus P. apiarius P. assamensis P. azoreducens P. azotofixans P. barcinonensis P. Borealis P. brasilensis P. Brassicae [1 ] P. Campinasensis P. chinjuensis P. chitinolyticus P. chondroitinus P. cineris P. Cookii P. curdlanolyticus P. daejeonensis P. dendritiformis P. durum P. ehimensis P. elgii P. favisporus P. guicanlyticus P. glicanlyticus P. gordonae P graminis P. granivorans P. hodogayensis P. illinoisensis. P. jamilae P. kobensis P. koleovorans P. koreensis P. kribbensis P. Lactis P. larvae P. lautus P. lentimorbus P. macerans P. macquariensis P. Massiliensis P. mendelii P. motobuensis P. naphthalenovorans P. nematophilus P. odorifer P. pabuli P. peoriae P. phoenicis P. phyllosphaerae P. Polymyxa [2] [3] [4] [5] [6] [7] P. popilliae P. pulvifaciens P. rhizosphaerae P. sanguinis P. stellifer Paenibacillus стеллифер №1. Морфология: P. terrae P. thiaminolyticus P. timonensis P. tundrae P. turicensis P. tylopili P. validus P. vortex P. vulneris P. wynnii P. xylanilyticus
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:
Колония, образованная бактериями хирального морфотипа P. dendritiformis : диаметр колонии составляет 5 см, а цвета указывают на плотность бактерий (ярко-желтый для высокой плотности). Ветви вьющиеся с четко выраженной рукояткой.
Колония, образованная бактериями P. vortex sp.: Диаметр колонии составляет 5 см, а цвета указывают на плотность бактерий (ярко-желтый — на высокую плотность). Яркие точки — это вихри, описанные в тексте.
Колония, образованная бактериями морфотипа разветвления (расщепления кончиков) P. dendritiformis : диаметр колонии составляет 6 см, а цвета указывают на плотность бактерий (более темный оттенок соответствует более высокой плотности).
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.
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).
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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 .
^ 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.
^ 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. ISBN9789811053429.
^ 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.
^ 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.
^ 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 .
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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 .
^ 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 .
^ 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.
^ 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.
^ 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 .
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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 .
^ 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.
^ 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 .
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ Гальперин М.Ю., Гомельский М. (2005). «Бактериальные модули передачи сигналов: от геномики к биологии». ASM News . 71 : 326–333.
^ 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 .
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ Шапиро JA , Дворкин М (1997). Бактерии как многоклеточные организмы (1-е изд.). США: Oxford University Press.
Дальнейшее чтение
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.
da Mota FF, Gomes EA, Paiva E, Seldin L (июль 2005 г.). «Оценка разнообразия видов Paenibacillus в образцах окружающей среды с помощью нового метода ПЦР-DGGE на основе rpoB». FEMS Microbiology Ecology . 53 (2): 317–28. doi : 10.1016/j.femsec.2005.01.017 . PMID 16329951. S2CID 22545561.
da Mota FF, Gomes EA, Paiva E, Rosado AS, Seldin L (2004). «Использование анализа гена rpoB для идентификации видов Paenibacillus, фиксирующих азот, в качестве альтернативы гену 16S рРНК». Письма в прикладную микробиологию . 39 (1): 34–40. doi :10.1111/j.1472-765X.2004.01536.x. PMID 15189285. S2CID 20682334.
Внешние ссылки
«Таксономия Paenibacillus». LPSN — Список названий прокариот, имеющих место в номенклатуре .
«Paenibacillus». Bac Dive — метабаза данных о бактериальном разнообразии .