嗜熱鏈球菌KLDS SM基因組學分析及比較基因組學分析.pdf

1、嗜熱鏈球菌是“公認安全性（GRAS）”菌株，被廣泛應用于一些重要發(fā)酵乳制品的工業(yè)生產(chǎn)中，是繼乳酸乳球菌之后的第二個重要的工業(yè)用乳酸菌物種，市場價值約400億美元。由于分子生物學研究手段的限制，傳統(tǒng)的微生物研究多集中于根據(jù)生理生化試驗及分子生物學實驗研究菌株某些性能以及形成機制，研究范圍限于單個基因的功能，或者少數(shù)幾個基因之間的相互作用，而且需要大量的人力及物力。隨著測序技術逐漸成熟、成本的降低，微生物基因組測序變得普及使得研究人員可以從

2、生物信息的方法分析和預測生物的遺傳學特征和功能，如基因的功能、多基因之間的相互作用、生理生化代謝途徑、基因的表達調(diào)控，并設計出針對性更高的實驗方案，節(jié)約科研成本。為了從遺傳角度上更加深入的分析與評價具有自主知識產(chǎn)權的快速產(chǎn)酸、高產(chǎn)黏的嗜熱鏈球菌KLDS SM應用于乳制品發(fā)酵的性能，同時挖掘該菌株的潛在功能，本研究對嗜熱鏈球菌KLDS SM進行了全基因測序，繪制基因組圖譜。利用COG與KEGG數(shù)據(jù)庫對編碼的蛋白進行了注釋，使用生物信息分析

3、軟件與方法從基因組水平上詳細分析了菌株KLDS SM的環(huán)境適應性（糖代謝、蛋白質(zhì)水解系統(tǒng)、脅迫應答、雙組份系統(tǒng)、協(xié)同作用、基因組島、假基因）、生物合成（胞外多糖、氨基酸、B族維生素）及防御系統(tǒng)（CRISPR/Cas系統(tǒng)、限制修飾系統(tǒng)、細菌素）三個方面。同時與NCBI公布的已完成全基因組測序的14株嗜熱鏈球菌進行比較，重點分析了菌株KLDS SM在胞外多糖、氨基酸與B族維生素的合成及CRISPR/Cas系統(tǒng)4個方面的潛力以及其潛在特有的功

4、能。最后對菌株KLDS SM在遺傳上表現(xiàn)優(yōu)異的功能進行了初步的實驗驗證，并且測定了該菌同保加利亞乳桿菌組合發(fā)酵與單菌發(fā)酵EPS產(chǎn)量。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴菌株KLDS SM的基本特征分析。KLDS SM基因組由一個1，856，787 bp環(huán)狀染色體組成，GC含量為39.08％。共預測到1，950個基因，其中1，732個蛋白編碼基因，129個假基因，6個rRNA操縱子，67個tRNA基因及4個ncRNA基因。分別有1，400個

5、與1，046個蛋白編碼基因注釋到COG數(shù)據(jù)庫及KEGG數(shù)據(jù)庫中。⑵菌株KLDS SM的環(huán)境適應性分析。該菌株能夠轉運且利用葡萄糖、乳糖、蔗糖、甘露糖與β-葡萄糖苷，經(jīng)糖酵解途徑生成L-乳酸，但不具有完整的檸檬酸途徑及磷酸戊糖途徑;有完整的蛋白水解系統(tǒng);可編碼多個與脅迫相關的蛋白，且多與酸、氧與熱脅迫有關;有4組完整且具有功能的TCS，參與調(diào)解自身細菌素的合成及生物膜的形成等過程;預測出9個基因組島多與生物合成、代謝、防御、轉運與轉錄調(diào)節(jié)

6、相關;蛋白編碼基因中假基因占6.9％，與糖類的轉運、代謝及氨基酸的合成、轉運等方面有關。⑶菌株KLDS SM的生物合成分析。該菌具有一個同高產(chǎn)胞外多糖的菌株ASCC1275高度一致(99％ identity)的胞外多糖基因簇，初步測定胞外多糖的產(chǎn)量約331 mg/L;其可合成His、Trp、Ser、Cys、Gly、 Val、Leu與Ala8種氨基酸，其中Val、Leu、Trp為人體必需氨基酸，且15株菌的氨基酸合成能力相對保守;可從頭合

7、成葉酸，但無法合成其他B族維生素，15株菌的B族維生素生物合成能力差異不大。⑷菌株KLDS SM的防御系統(tǒng)。該菌有4個CRISPR/Cas系統(tǒng)，預測CRISPR位點的活性由強到弱為CRISPR1＞CRISPR4＞CRISPR3＞CRISPR2，而位點2的CRISPR/Cas系統(tǒng)發(fā)生了退化;R-M系統(tǒng)并不豐富，僅有2個完整的Ⅰ型R-M系統(tǒng);基因組中存在2個細菌素合成的基因簇，但合成羊毛硫抗生素的基因簇發(fā)生了退化。⑸與15株嗜熱鏈球菌的比較

8、基因組分析?；蚪M之間具有非常保守的同線性，泛基因組由4，094個基因組成且呈開放型，核心基因組由1，240個基因組成。菌株KLDS SM與菌株MN-BM-A02、菌株ASCC1275、菌株ND07三者的親緣關系最近，與菌株LMG18311、菌株CNRZ1066親緣關系較遠。⑹單菌、組合發(fā)酵EPS產(chǎn)量的比較結果表明，組合發(fā)酵均較單菌發(fā)酵產(chǎn)EPS多。在發(fā)酵4-8 h時，KLDS SM與KLDS08007組合發(fā)酵產(chǎn)生EPS的速率最快，速率約