Yu, Jun Myoung;Wang, Dongping;Pierson, Leland S. III;Pierson, Elizabeth A.
The Plant Pathology Journal
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v.34
no.1
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pp.44-58
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2018
Pseudomonas chlororaphis 30-84 is a biological control agent selected for its ability to suppress diseases caused by fungal pathogens. P. chlororaphis 30-84 produces three phenazines: phenazine-1-carboxylic acid (PCA), 2-hydroxy-phenazine-1-carboxylic acid (2OHPCA) and a small amount of 2-hydroxy-phenazine (2OHPHZ), and these are required for fungal pathogen inhibition and wheat rhizosphere competence. The two, 2-hydroxy derivatives are produced from PCA via the activity of a phenazine-modifying enzyme encoded by phzO. In addition to the seven biosynthetic genes responsible for the production of PCA, many other Pseudomonas strains possess one or more modifying genes, which encode enzymes that act independently or together to convert PCA into other phenazine derivatives. In order to understand the fitness effects of producing different phenazines, we constructed isogenic derivatives of P. chlororaphis 30-84 that differed only in the type of phenazines produced. Altering the type of phenazines produced by P. chlororaphis 30-84 enhanced the spectrum of fungal pathogens inhibited and altered the degree of take-all disease suppression. These strains also differed in their ability to promote extracellular DNA release, which may contribute to the observed differences in the amount of biofilm produced. All derivatives were equally important for survival over repeated plant/harvest cycles, indicating that the type of phenazines produced is less important for persistence in the wheat rhizosphere than whether or not cells produce phenazines. These findings provide a better understanding of the effects of different phenazines on functions important for biological control activity with implications for applications that rely on introduced or native phenazine producing populations.
As an opportunistic bacterial pathogen, Pseudomonas aeruginosa PAO1 contains two phenazine-producing gene operons, phzA1B1C1D1E1F1G1 (phz1) and phzA2B2C2D2E2F2G2 (phz2), each of which is independently capable of encoding all enzymes for biosynthesizing phenazines, including phenazine-1-carboxylic acid and its derivatives. Other previous study reported that the RpoS-deficient mutant SS24 overproduced pyocyanin, a derivative of phenazine-1-carboxylic acid. However, it is not known how RpoS mediates the expression of two phz operons and regulates pyocyanin biosynthesis in detail. In this study, with deletion of the rpoS gene in the $PA{\Delta}phz1$ mutant and the $PA{\Delta}phz2$ mutant respectively, we demonstrated that RpoS exerted opposite regulatory roles on the expression of the phz1and phz2 operons. We also confirmed that the phz1 operon played a critical role and especially biosynthesized much more phenazines than the phz2 operon when the rpoS gene was knocked out in P. aeruginosa. By constructing the translational reporter fusion vector lasR'-'lacZ and the chromosomal fusion mutant $PA{\Delta}lasR::lacZ$, we verified that RpoS deficiency caused increased expression of lasR, a transcription regulator gene in a first quorum sensing system (las) that activates overexpression of the phz1 operon, suggesting that in the absence of RpoS, LasR might act as an intermediate in overproduction of phenazine biosynthesis mediated by the phz1 operon in P. aeruginosa.
The GacS/GacA system in the root colonizer Pseudomonas chlororaphis O6 is a key regulatory system of many traits relevant to the plant probiotic nature of this bacterium. The work in this paper elucidates proteins using proteomics approach in P. chlororaphis O6 under the control of the cytoplasmic regulatory protein, GacA. A gacA mutant of P. chlororaphis O6 showed loss in production of phenazines, acyl homoserine lactones, hydrogen cyanide, and protease, changes that were associated with reduced in vitro antifungal activity against plant fungal pathogens. Production of iron-chelating siderophore was significantly enhanced in the gacA mutant, also paralleling changes in a gacS mutant. However, proteomic analysis revealed proteins (13 downregulated and 7 upregulated proteins in the mutant compared to parental strain) under GacA control that were not apparent by a proteomic study of a gacS mutant. The putative identity of the downregulated proteins suggested that a gacA mutant would have altered transport potentials. Notable would be a predicted loss of type-VI secretion and PEP-dependent transport. Study of mutants of these GacA-regulated proteins will indicate further the features required for probiotic potential in this rhizobacterium.
Kang, Beom-Ryong;Han, Song-Hee;Zdor, Rob E.;Anderson, Anne J.;Spencer, Matt;Yang, Kwang-Yeol;Kim, Yong-Hwan;Lee, Myung-Chul;Cho, Baik-Ho;Kim, Young-Cheol
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.17
no.4
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pp.586-593
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2007
Seed coating by a phenazine-producing bacterium, Pseudomonas chlororaphis O6, induced dose-dependent inhibition of germination in wheat and barley seeds, but did not inhibit germination of rice or cucumber seeds. In wheat seedlings grown from inoculated seeds, phenazine production levels near the seed were higher than in the roots. Deletion of the gacS gene reduced transcription from the genes required for phenazine synthesis, the regulatory phzI gene and the biosynthetic phzA gene. The inhibition of seed germination and the induction of systemic disease resistance against a bacterial soft-rot pathogen, Erwinia carotovora subsp. carotovora, were impaired in the gacS and phzA mutants of P chlororaphis O6. Culture filtrates of the gacS and phzA mutants of P. chlororaphis O6 did not inhibit seed germination of wheat, whereas that of the wild-type was inhibitory. Our results showed that the production of phenazines by P. chlororaphis O6 was correlated with reduced germination of barley and wheat seeds, and the level of systemic resistance in tobacco against E. carotovora.
Fluorescent pseudomonads have been isolated from halophytes, mesophytes, and xerophytes of Pakistan. Among these, eight isolates, GS-1, GS-3, GS-4, GS-6, GS-7, FS-2 (cactus), ARS-38 (cotton), and RP-4 (para grass), showed antifungal activity and were selected for detailed study. Based on biochemical tests and 16S rRNA gene sequences, these were identified as strains of P. chlororaphis subsp. chlororaphis and aurantiaca. Secondary metabolites of these strains were analyzed by LC-MS. Phenazine-1-carboxylic acid (PCA), 2-hydroxy-phenazine, Cyclic Lipopeptide (white line-inducing principle (WLIP)), and lahorenoic acid A were detected in variable amounts in these strains. P. aurantiaca PB-St2 was used as a reference as it is known for the production of these compounds. The phzO and PCA genes were amplified to assure that production of these compounds is not an artifact. Indole acetic acid production was confirmed and quantified by HPLC. HCN and siderophore production by all strains was observed by plate assays. These strains did not solubilize phosphate, but five strains were positive for zinc solubilization. Wheat seedlings were inoculated with these strains to observe their effect on plant growth. P. aurantiaca strains PB-St2 and GS-6 and P. chlororaphis RP-4 significantly increased both root and shoot dry weights, as compared with uninoculated plants. However, P. aurantiaca strains FS-2 and ARS-38 significantly increased root and shoot dry weights, respectively. All strains except PB-St2 and ARS-38 significantly increased the root length. This is the first report of the isolation of P. aurantiaca from cotton and cactus, P. chlororaphis from para grass, WLIP and lahorenoic acid A production by P. chlororaphis, and zinc solubilization by P. chlororaphis and P. aurantiaca.
Previous screening of novel antibacterial agents revealed that some bacterial isolates exhibited antibiotic activity against both gram-positive and gram-negative bacteria and that they showed antibacterial activity, even against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). Among these isolates, one bacterial strain, BCNU 1204, was identified as Pseudomonas aeruginosa using phenetic and phylogenetic analysis, based on 16S ribosomal RNA gene sequences. The maximum productivities of antimicrobial substances of BCNU 1204 were obtained after being cultured at $35^{\circ}C$ and pH 7.0 for 4 d in King's medium B (KMB). Dichloromethane (DCM) and ethylacetate (EA) extracts of P. aeruginosa BCNU 1204 exhibited strong antimicrobial activity, particularly against gram-positive bacteria. The EA extracts exhibited broad-spectrum activity against antibiotic resistant strains. Fraction 5-2, was obtained by recycling preparative liquid chromatography (LC) and preparative thin-layer chromatography (TLC) and was identified as phenazine-1-carboxylic acid belonging to phenazines using gas chromatography and mass spectrometry (GC/MS). Its minimum inhibitory concentration (MIC) values were $25{\mu}g/ml$, $50{\mu}g/ml$, ${\geq}25{\mu}g/ml$, and ${\geq}50{\mu}g/ml$ for MRSA CCARM 3089, 3090, 3091, and 3095 strains, respectively. P. aeruginosa BCNU 1204 may be a potential resource for the development of anti-MRSA antibiotics. Additional research is required to identify the active substance from P. aeruginosa BCNU 1204.
A rhizobacterium Pseudomonas cholororaphis O6 produced several secondary metabolites, such as phenazines, protease, and HCN that may be involved in inhibition of the growth of phytopathogenic fungi. In field study, P. chlororaphis O6 treatment on wheat seed suppressed root rot disease caused by Fusarium culmorum. The major organic acids of cucumber root exudates were fumaric acid, malic acid, benzoic acid, and succinic acid. Glucose and fructose were major monosaccharides in cucumber root exudates. The total amount of organic acids was ten times higher than that of the sugars. P. chlororaphis O6 grew well on cucumber root exudates. The dctA gene of P. chlororaphis O6 consisted of a 1,335 bp open reading frame with a deduced amino acid sequence of 444 residues, corresponding to a molecular size of about 47 kD and pI 8.2. The deduced dctA sequence has ten putative transmembrane domains, as expected of a membrane-embedded protein. Our results indicated that organic acids in cucumber root exudates may play an important role in providing nutrient source for root colonization of biological control bacteria, and the dctA gene of P. chlororaphis O6 may be an important bacterial trait that is involved in utilization of root exudates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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