Thermolabile ribonucleases from antarctic psychrotrophic bacteria: detection of the enzyme in various bacteria and purification from Pseudomonas fluorescens

Thirteen terrestrial psychrotrophic bacteria from Antarctica were screened for the presence of a thermolabile ribonuclease (RNAase-HL). The enzyme was detected in three isolates of Pseudomonas fluorescens and one isolate of Pseudomonas syringae. It was purified from one P. Fluorescens isolate and the molecular mass of the enzyme as determined by SDS-PAGE was 16 kDa. RNAase-HL exhibited optimum activity around 40 degrees C at pH 7.4. It could hydrolyse Escherichia coli RNA and the synthetic substrates poly(A), poly(C), poly(U) and poly(A-U). Unlike the crude RNAase from mesophilic P. Fluorescens and pure bovine pancreatic RNAase A which were active even at 65 degrees C, RNAase-HL was totally and irreversibly inactivated at 65 degrees C.

Identification, Characterization, and Molecular Application of a Virulence-Associated Autotransporter from a Pathogenic Pseudomonas fluorescens Strain

A gene, pfa1, encoding an autotransporter was cloned from a pathogenic Pseudomonas fluorescens strain, TSS, isolated from diseased fish. The expression of pfa1 is enhanced during infection and is regulated by growth phase and growth conditions. Mutation of pfa1 significantly attenuates the overall bacterial virulence of TSS and impairs the abilities of TSS in biofilm production, interaction with host cells, modulation of host immune responses, and dissemination in host blood. The putative protein encoded by pfa1 is 1,242 amino acids in length and characterized by the presence of three functional domains that are typical for autotransporters. The passenger domain of PfaI contains a putative serine protease (Pap) that exhibits apparent proteolytic activity when expressed in and purified from Escherichia coli as a recombinant protein. Consistent with the important role played by PfaI in bacterial virulence, purified recombinant Pap has a profound cytotoxic effect on cultured fish cells. Enzymatic analysis showed that recombinant Pap is relatively heat stable and has an optimal temperature and pH of 50 degrees C and pH 8.0. The domains of PfaI that are essential to autotransporting activity were localized, and on the basis of this, a PfaI-based autodisplay system (named AT1) was engineered to facilitate the insertion and transport of heterologous proteins. When expressed in E. coli, AT1 was able to deliver an integrated Edwardsiella tarda immunogen (Et18) onto the surface of bacterial cells. Compared to purified recombinant Et18, Et18 displayed by E. coli via AT1 induced significantly enhanced immunoprotection.

Molecular analysis of the copper-responsive CopRSCD of a pathogenic Pseudomonas fluorescens strain

CopRS/CopABCD is one of the known systems that control copper homeostasis in bacteria. Although CopRS/CopABCD homologues are found to exist in Pseudomonas fluorescens, the potential role of this system in P. fluorescens has not been investigated. In this study a genetic cluster, consisting of copR, S, C, and D but lacking copAB, was identified in a pathogenic P. fluorescens strain (TSS) isolated from diseased fish. The copRSCD cluster was demonstrated to be required for full copper resistance and regulated at the transcription level by Cu. Expression of copCD is regulated directly by the two-component response regulator CopR, which also regulates its own expression. Interruption of the regulated expression of copR affected bacterial growth, biofilm formation, and tissue dissemination and survival. A mutant CopR, which lacks the N-terminal signal receiver domain and is constitutively active, was found to have an attenuating effect on bacterial virulence when expressed in TSS. To our knowledge, this is the first report that suggests a link between CopR and bacterial pathogenicity in P. fluorescens.

Construction of an attenuated Pseudomonas fluorescens strain and evaluation of its potential as a cross-protective vaccine

Ferric uptake regulator (Fur) is a global transcription regulator that is ubiquitous to Gram-negative bacteria and regulates diverse biological processes, including iron uptake, cellular metabolism, stress response, and production of virulence determinants. As a result, for many pathogenic bacteria, Fur plays a crucial role in the course of infection and disease development. In this study, the fur gene was cloned from a pathogenic Pseudomonas fluorescens strain, TSS, isolated from diseased Japanese flounder cultured in a local farm. TSS Fur can partially complement the defective phenotype of an Escherichia coli fur mutant. A TSS fur null mutant, TFM, was constructed. Compared to TSS, TFM exhibits reduced growth ability, aberrant production of outer membrane proteins, decreased resistance against host serum bactericidal activity, impaired ability to disseminate in host blood and tissues, and drastic attenuation in overall bacterial virulence in a Japanese flounder infection model. When used as a live vaccine administered via the injection, immersion, and oral routes, TFM affords high levels of protection upon Japanese flounder against not only P.fluorescens infection but also Aeromonas hydrophila infection. Furthermore, a plasmid, pJAQ, was constructed, which expresses the coding element of the Vibrio harveyi antigen AgaV-DegQ. TFM harboring pJAQ can secret AgaV-DegQ into the extracellular milieu. Vaccination of Japanese flounder with live TFM/pJAQ elicited strong immunoprotection against both V. harveyi and A. hydrophila infections. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Identification and characterization of a virulence-associated protease from a pathogenic Pseudomonas fluorescens strain

Pseudomonas fluorescens is an aquaculture pathogen that can infect a number of fish species. The virulence mechanisms of aquatic P. fluorescens remain largely unknown. Many P. fluorescens strains are able to secrete an extracellular protease called AprX, yet no AprX-like proteins have been identified in pathogenic P. fluorescens associated with aquaculture. In this study, a gene encoding an AprX homologue was cloned from TSS, a pathogenic A fluorescens strain isolated from diseased fish. In TSS, AprX is secreted into the extracellular milieu, and the production of AprX is controlled by growth phase and calcium. Mutation of aprX has multiple effects, which include impaired abilities in interaction with cultured host cells, adherence to host mucus, modulation of host immune response, and dissemination and survival in host tissues and blood. Purified recombinant AprX exhibits apparent proteolytic activity, which is optimal at pH 8.0 and 50 degrees C. The protease activity of recombinant AprX is enhanced by Ca2+ and Zn2+ and reduced by Co2+. Cytotoxicity analyses showed that purified recombinant AprX has profound toxic effect on cultured fish cells. These results demonstrate that AprX is an extracellular metalloprotease that is involved in bacterial virulence. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

The construction of a whole-cell biosensor for phosphonoacetate, based on the LysR-like transcriptional regulator PhnR from Pseudomonas fluorescens 23F

The phnA gene that encodes the carbon-phosphorus bond cleavage enzyme phosphonoacetate hydrolase is widely distributed in the environment, suggesting that its phosphonate substrate may play a significant role in biogeochemical phosphorus cycling. Surprisingly, however, no biogenic origin for phosphonoacetate has yet been established. To facilitate the search for its natural source we have constructed a whole-cell phosphonoacetate biosensor. The gene encoding the LysR-type transcriptional activator PhnR, which controls expression of the phosphonoacetate degradative operon in Pseudomonas fluorescens 23F, was inserted in the broad-host-range promoter probe vector pPROBE-NT, together with the promoter region of the structural genes. Cells of Escherichia coli DH5a that contained the resultant construct, pPANT3, exhibited phosphonoacetate-dependent green fluorescent protein fluorescence in response to threshold concentrations of as little as 0.5 µM phosphonoacetate, some 100 times lower than the detection limit of currently available non-biological analytical methods; the pPANT3 biosensor construct in Pseudomonas putida KT2440 was less sensitive, although with shorter response times. From a range of other phosphonates and phosphonoacetate analogues tested, only phosphonoacetaldehyde and arsonoacetate induced green fluorescent protein fluorescence in the E. coli DH5a (pPANT3) biosensor, although at much-reduced sensitivities (50 µM phosphonoacetaldehyde and 500 µM arsonoacetate).

The purification and properties of phosphonoacetate hydrolase, a novel carbon-phosphorus bond-cleavage enzyme from Pseudomonas fluorescens 23F

A novel, inducible, carbon-phosphorus bond-cleavage enzyme, phosphonoacetate hydrolase, was purified from cells of Pseudomonas fluorescens 23F grown phosphonoacetate. The native enzyme had a molecular mass of approximately 80 kDa and, upon SDS/PAGE, yielded a homogenous protein band with an apparent molecular mass of about 38 kDa. Activity of purified phosphonoacetate hydrolase was Zn2+ dependent and showed pH and temperature optima of approximately 7.8 and 37 degrees C, respectively. The purified enzyme had an apparent K-m of 1.25 mM for its sole substrate phosphonoacetate, and was inhibited by the structural analogues 3-phosphonopropionate and phosphonoformate. The NH2-terminal sequence of the first 19 amino acids displayed no significant similarity to other databank sequences.

Toxicity of mono-, di- and tri-chlorophenols to lux marked terrestrial bacteria, Burkholderia species Rasc c2 and Pseudomonas fluorescens

Burkholderia species RASC and Pseudomonas fluorescens were marked with lux genes, encoding for bioluminescence and used to assess the toxicity of mono-, di- and tri-chlorophenols by determining the decline in bioluminescence following exposure to the compounds in aqueous solution. Toxicity was expressed as a 50% effective concentration value (EC50, equating to the concentration of compound which caused a 50% decline in bioluminescence. Comparing the toxicity values of the compounds showed that, in general, increasing the degree of chlorination, increased toxicity. By carrying out forward multiple linear regressions with log10 EC50 values and physio-chemical descriptors, it was shown that molecular parameters describing the hydrogen bonding nature of a chlorophenol provided a better fit than regressions between toxicity data and log10 Kow alone. Utilising these descriptor variables in equations, it was shown that the toxicity of chlorophenols to the lux marked bacteria could be predicted from the compounds physio-chemical characteristics. By correlating lux marked RASC c2 and P. fluorescens EC50 values with toxicity values using Pimephales promelas (fathead minnow), Tetrahymena pyriformis (ciliate) and marine bacterium Vibriofischeri, it was apparent that lux marked RASC c2 correlated well with the freshwater aquatic species (P. promelas and T. pyriformis). This implied that for predictions of toxicity of organic xenobiotic compounds to higher organisms, lux marked RASC c2 could be utilised as a rapid surrogate.

Toxicity assessment of xenobiotic contaminated groundwater using lux modified Pseudomonas fluorescens

A bacterial bioassay, suitable for rapid screening to assess the relative toxicity of xenobiotic contaminated groundwater has been developed. The quantitative bioassay utilizes a decline in luminescence of the lux marked soil bacterium Pseudomonas fluorescens on exposure to contaminated groundwaters from which effective concentration (EC) values can be assessed and compared. P. fluorescens was most sensitive to semi-volatile organics in groundwaters but there was no correlation between EC value and chemical content. The sensitivity and reproducibility of the P. fluorescens bioassay was compared with that of Microtox and results showed that mean EC₅₀ values for diluted ground water replicate samples were 20% and 18% respectively. This suggested that the P. fluorescens bioassay was as applicable to groundwater screening as the widely used Microtox bioassay.

Assessment of lux-marked Pseudomonas fluorescens for reporting on organic carbon compounds

Carbon-flow from plant roots to the rhizosphere provides a major source of nutrients for the soil microbial population. However, quantification of carbon-flow is problematic due to its complex composition. This study investigated the potential of lux-marked Pseudomonas fluorescens to discriminate between forms of carbon present in the rhizosphere by measuring the light response to a range of carbon compounds. Results indicate that bioluminescence of short-term carbon-starved P. fluorescens is dependent upon the source and concentration of carbon. This system, therefore, has the potential to both quantify and qualify organic acids present in rhizodeposits.

Toxicity of chlorobenzenes to a lux-marked terrestrial bacterium, Pseudomonas fluorescens

Insertion of lux genes, encoding for bioluminescence in naturally bioluminescent marine bacteria, into the genome of Pseudomonas fluorescens resulted in a bioluminescent strain of this terrestrial bacterium. The lux- marked bacterium was used to toxicity test the chlorobenzene series. By correlating chlorobenzenes 50% effective concentration (EC50) values against physiochemical parameters, the physiochemical properties of chlorobenzenes that elicit toxic responses were investigated. The results showed that the more chlorinated the compounds, the more toxic they were to lux-marked P. fluorescens. Furthermore, it was shown that the more symmetrical the compound, the greater its toxicity to P. fluorescens. In general, the toxicity of a chlorobenzene was inversely proportional to its solubility (S) and directly proportional to its lipophilicity (K(ow). By correlating lux- marked P. fluorescens EC50 values, determined for chlorobenzenes, with toxicity values determined using Pimephales promelas (fathead minnow), Cyclotella meneghiniana (diatom), and Vibrio fischeri (marine bacterium), it was apparent that lux-marked P. fluorescens correlated well with freshwater species such as the diatoms and fathead minnow but not with the bioluminescent marine bacterium V. fischeri. The implications of these findings are that a terrestrial bacterium such as P. fluorescens should be used for toxicity testing of soils and freshwaters rather than the marine bacterium V. fischeri.

Anàlisi polifàsica de soques de "Pseudomonas fluorescens" potencials agents de biocontrol de malalties de fruiters

Molts bacteris del grup fluorescent del gènere Pseudomonas són capaços de controlar malalties de les plantes causades per fongs i bacteris fitopatògens (ACBs) o mostren activitat com a bacteris promotors del creixement de les plantes (BPCPs). S'han descrit diversos metabòlits que intervenen de manera important en la seva activitat com a ACBs i BPCPs entre els quals en destaquen el 2,4-diacetilfloroglucinol (Phl), àcid fenazin-1-carboxílic (PCA), Pirrolnitrina (Prn), àcid cianhídric (HCN), àcid 3-indolacètic (IAA), sideròfors i quitinases. L'objectiu principal del nostre treball ha estat la comparació de les característiques d'un grup de Pseudomonas del grup fluorescent utilitzant una aproximació polifàsica amb la finalitat d'establir possibles relacions entre algunes de les característiques i la capacitat d'actuar com a ACB o BPCP. Atesa la importància en el biocontrol de la producció de metabòlits com Phl, PCA i Prn, l'objectiu preliminar ha estat la recerca i obtenció de soques productores d'aquests metabòlits. Per assolir aquest objectiu s'ha emprat una aproximació molecular basada en la detecció dels gens biosintètics implicats en la seva producció en lloc de la detecció directa dels metabòlits per evitar els efectes que poden tenir les condicions de cultiu en la inducció o repressió de la seva síntesi. S'han realitzat diferents protocols basats (i) en la cerca assistida de productors mitjançant l'ús de marcadors fenotípics i posterior confirmació per PCR i, (ii) en l'ús de la PCR per a la detecció dels gens directament dels extractes bacterians, d'enriquiments d'aquests extractes i la realització de la hibridació en colònies per al posterior aïllament. La cerca assistida de productors de Phl mitjançant marcadors fenotípics i posteriorment la utilització de tècniques moleculars (amplificació per PCR del gen phlD), ha estat el millor mètode en el tipus de mostres processades en el nostre treball, on la proporció de productors és relativament baixa. En total s'han aïllat a partir de diversos ambients 4 soques portadores dels gens de la síntesi de PCA, 15 de Phl i 1 de Prn. S'ha constituït una col·lecció de 72 soques de Pseudomonas del grup fluorescent que inclou 18 aïllats propis portadors dels gens biosintètics necessaris per la producció de Phl PCA i Prn; 6 soques de referència procedents de col·leccions de cultius tipus, 14 soques productores dels diferents antibiòtics cedides per altres investigadors i una selecció de 34 soques procedents d'un treball previ realitzat en el nostre grup de recerca. A la col·lecció s'hi troben soques candidates a ACB i BPCP de diverses malalties i plantes. Les 72 soques s'han caracteritzat fenotípica i genotípicament. La caracterització fenotípica s'ha portat a terme mitjançant la identificació a nivell d'espècie amb galeries API 20NE i proves bioquímiques específiques; la producció de metabòlits com PCA, Phl, Prn, IAA, HCN, quitinases i sideròfors mitjançant l'ús de diferents tècniques; antagonisme in vitro en diversos medis enfront dos fongs (Stemphylium vesicarium i Penicillium expansum) i tres bacteris fitopatògens (Erwinia amylovora, Pseudomonas syringae pv. syringae i Xanthomonas arboricola pv. juglandis); l'eficàcia de la inhibició de la infecció en bioassaigs in vivo sobre material vegetal enfront els fongs P. expansum en poma i S. vesicarium en fulles de perera i enfront el bacteri E. amylovora en fruits immadurs de perera i, finalment, en assaigs de promoció de creixement en dos portaempelts comercials de Prunus. Cal destacar que P. expansum causa la podridura blava en pomes i peres en postcollita, S. vesicarium la taca bruna de la perera i E. amylovora el foc bacterià de les rosàcies. El nombre de soques de Pseudomonas, sobre el total de les 72 estudiades, productores d'IAA (4) i quitinases (6) és baix, mentre que és elevat en el cas del HCN (32), que a més està associat a la producció de Phl. Els resultats obtinguts en l'antagonisme in vitro han mostrat en el cas dels bacteris que és dependent del patogen indicador i del medi de cultiu. La presència o absència de ferro no sembla ser un factor que potencií l'antagonisme. En el cas dels fongs no s'ha observat però, influència del medi de cultiu emprat. En el total de 72 soques s'ha observat un percentatge baix de soques que manifesten antagonisme en tots els medis assajats vers 3 o 4 dels patògens (7). Solament 2 d'aquestes 7 soques han mostrat ser també efectives en bioassaigs d'inhibició de les infeccions causades per 2 dels 3 patògens assajats. Algunes de les soques efectives en els bioassaigs no són antagonistes in vitro en cap dels medis assajats enfront el mateix patogen. En el cas de la promoció del creixement, s'han observat més soques promotores del creixement del portaempelts de prunera Marianna 2624 que no en l'híbrid de presseguer-ametller GF677 i les eficàcies assolides són també majors en el cas de Marianna 2624, detectant una elevada especificitat soca/portaempelts La caracterització genotípica s'ha realitzat mitjançant l'anàlisi dels polimorfismes en la longitud dels fragments de restricció de DNA ribosomal (RFLP-rDNA) i l'anàlisi dels polimorfismes en la longitud dels fragments de macrorestricció genòmica de DNA cromosòmic separats per electroforesi en camp polsant (MRFLP-PFGE). Ambdues anàlisis van mostrar una gran heterogeneïtat genètica entre les soques caracteritzades i no s'ha pogut relacionar les agrupacions obtingudes amb les característiques fenotípiques o capacitat d'actuar com a ACB o BPCP. Els patrons de macrorestricció genòmica (MRFLP-PFGE) del bacteri model P. fluorescens EPS288 són estables en el temps i independents de les condicions de cultiu assajades al laboratori o en mostres naturals, mostrant ser una tècnica eficaç en la identificació de reaïllats de mostres naturals inoculades prèviament amb el bacteri. Una selecció de soques que comparteixen el fet de produir floroglucinol s'han caracteritzat mitjançant RFLP i seqüenciació del gen phlD. S'ha establert una relació entre les agrupacions obtingudes en les anàlisis RFLP-rDNA, RFLP-phlD i les seqüències del gen. En l'anàlisi filogenètica de les seqüències del gen phlD s'ha observat un elevat grau de polimorfisme obtenint-se 3 agrupacions principals. Les agrupacions semblen relacionar-se amb els patrons de producció de metabòlits (Phl, HCN i Prn en una primera agrupació; Phl i HCN en la segona i solament Phl en la tercera), però aquestes no s'han pogut relacionar amb l'origen geogràfic de les soques o la seva activitat com a ACBs i/o BPCP. Amb les dades obtingudes de la caracterització fenotípica i genotípica s'ha realitzat una anàlisi multivariant (correspondències, correlacions d'Spearman i de freqüències amb variables categòriques). S'ha demostrat la importància de disposar d'una tècnica que permeti depurar una col·lecció de soques descartant les soques genèticament idèntiques, ja que influeixen en els resultats de les anàlisis. Pels tres patògens assajats com a indicadors i els dos portaempelts emprats, no s'ha observat cap correlació entre la inhibició de la infecció o la promoció del creixement amb les característiques fenotípiques i genotípiques de les soques que fos significatiu i consistent en les tres tècniques emprades.

Caracterització de metabòlits produïts per soques de "Pseudomonas fluorescens" efectives en el control biològic de fongs fitopatògens

El principal objectiu d'aquest treball ha estat estudiar la producció de metabòlits amb activitat antibiòtica per soques de l'espècie Pseudomonas fluorescens de la col·lecció EPS, i també avaluar la seva potencialitat com a agents de biocontrol. Es va disposar també de diverses soques de P. fluorescens, cedides per altres investigadors, que van utilitzar-se com a referència perquè algunes són actives en control biològic i produeixen metabòlits secundaris d'interès en el biocontrol de malalties de plantes. La present memòria s'estructura en cinc capítols, que són, introducció al control biològic, descripció de l'etapa de selecció de soques i cerca dels metabòlits produïts, estudi de la producció d'HCN per la soca EPS288, estudi de la producció de l'antibiòtic 2,4-diacetilfloroglucinol (DAPG), i finalment, el darrer capítol, on s'ha estudiat la producció de DAPG sobre material vegetal i la capacitat de colonitzar arrels per diverses soques d'interès. En l'etapa de prospecció, va demostrar-se que un 37% del total de les soques de la col·lecció EPS produïen HCN, totes de l'espècie P. fluorescens, i un 90% d'aquestes provenien de les arrels de plantes. Es va confirmar la producció dels metabòlits secundaris 2,4-diacetilfloroglucinol, àcid fenazina-1-carboxílic, i pirrolnitrina, per diverses soques de la col·lecció EPS seleccionades mitjançant tècniques moleculars. Així, de la col·lecció EPS, les soques EPS317 i EPS808 produeixen DAPG, la EPS263 àcid fenazina-1-carboxílic i pirrolnitrina i, EPS894, EPS895, EPS945 produeixen àcid fenazina-1-carboxílic. La producció d'HCN es va estudiar més exhaustivament en la soca EPS288, seleccionada per la seva activitat antifúngica i candidata a agent de biocontrol contra Stemphylium vesicarium, causant de la estemfiliosi de la perera, i contra Penicillium expansum, causant de la podridura blava en conservació de fruita a postcollita. Per aquest estudi, es va dissenyar i validar un sistema per recollir l'HCN a partir de cultius en medi líquid. S'ha demostrat que la temperatura d'incubació, la concentració cel·lular de sembra i la composició del medi de cultiu afectaven a la producció d'HCN. Els medis complexos i la glicina n'afavorien la síntesi i la font de carboni no afectava. La soca EPS288 va produir més HCN que P. fluorescens CHA0, soca de referència productora d'HCN i descrita com a activa en processos de biocontrol de fongs fitopatògens. En l'estudi de la producció de DAPG, les soques de la col·lecció EPS i de referència, es van comparar en diversos medis de cultiu estudiant l'efecte de la complexitat i consistència del medi, i l'addició de ferro o de glucosa. Va demostrar-se que la producció de DAPG depèn principalment de la soca i de les característiques del medi de cultiu. La glucosa estimula la producció, mentre que el ferro pràcticament no afecta, i en general, el medi sòlid i complex estimula la producció de DAPG. Tanmateix, aquests efectes varien en alguna de les soques assajades donant lloc a comportaments singulars. En el seguiment del creixement amb un sistema automàtic es va comprovar que la velocitat específica de creixement i la concentració cel·lular assolida al final del cultiu, estaven condicionades per la composició del medi de cultiu. En les proves d'antagonisme vers fitopatògens que foren seleccionats com a indicadors, va observar-se que tant l'antagonisme in vitro com la inhibició d'infeccions sobre material vegetal estaven parcialment relacionades amb la producció dels metabòlits secundaris estudiats. La promoció del creixement de portaempelts per aquestes soques depenia de la soca i de l'hoste, però no es pogué establir una relació causa-efecte amb el metabòlits produïts. També es va comprovar que algunes de les soques podien sobreviure en ferides de pomes i de peres, on produïren DAPG. Mutants resistents a rifampicina de diverses soques de la col·lecció EPS i de referència es van inocular en llavors de pomera i de tomatera que es van sembrar i incubar en condicions controlades. Es va fer el seguiment de la població bacteriana total i resistent a rifampicina present a les arrels durant 72 dies. Totes les soques van colonitzar les arrels de les plantes, mantenint una elevada població durant 37 dies, cap d'elles va estimular el creixement ni mostrar efectes fitotòxics, no afectant tampoc signicativament a la població bacteriana espontània de les arrels. La soca EPS808, una de les seleccionades pel treball, va aconseguir uns nivells de producció de DAPG, una velocitat de creixement i una supervivència relativa a les arrels similar a altres soques de referència descrites com a bons agents de biocontrol. En conseqüència, se la considera una candidata a agent de biocontrol que hauria de ser objecte de futurs estudis d'eficàcia.