适应性实验室进化技术在微生物育种中的应用进展

适应性实验室进化(Adaptive laboratory evolution,ALE)技术已成为微生物学基础研究和工业微生物育种的强大工具,被广泛用来研究影响菌株表型、性能和稳定性的进化潜力以及快速获取含有有益突变的工业生产菌株。近年来,随着基因组测序技术的进步,关于微生物新陈代谢机理和动力学方面的研究变得更加广泛和深入,这也极大促进了适应性实验室进化技术的快速发展。文中主要介绍了长期、短期适应性实验室进化技术在微生物育种方面的应用实例,并总结归纳了该技术在快速高效构建优良菌株过程中的方式与作用。最后分析了目前ALE技术面临的瓶颈问题及其可能的解决方法,以期能够为该技术的未来发展提供有价值的参考依据。     

代谢工程与全基因组重组构建酿酒酵母抗逆高产乙醇菌株

将酿酒酵母海藻糖代谢工程与全基因组重组技术相结合,改良工业酿酒酵母菌株的抗逆性和乙醇发酵性能。对来源于二倍体出发菌株Zd4的两株优良单倍体Z1和Z2菌株进行杂交获得基因组重组菌株Z12,并对Z1和Z2先进行(1)过表达海藻糖-6-磷酸合成酶基因 (TPS1) ,(2)敲除海藻糖水解酶基因 (ATH1), (3)同时过表达 TPS1和敲除ATH1, 经此三种基因工程操作后再进行杂交获得代谢工程菌株的全基因组重组菌株Z12ptps1、Z12 Δath1和Z12pTΔA。与亲株Zd4相比,Z12及结合代谢工程获得的菌株在高糖、高乙醇浓度与高温条件下生长与乙醇发酵性能都有不同程度的改进。对比研究结果表明:在高糖发酵条件下,同时过表达 TPS1和敲除ATH1 的双基因操作工程菌株胞内海藻糖积累、乙醇主发酵速率和乙醇产量相对于亲株的提高幅度要大于只过表达 TPS1,或敲除ATH1 的工程菌。结合了全基因组重组后获得的二倍体工程菌株Z12pTΔA,与原始出发菌株Zd4及重组子Z12相比,主发酵速率分别提高11.4%和6.3%,乙醇产量提高7.0%和4.1%,与其胞内海藻糖含量高于其它菌株、在胁迫条件下具有更强耐逆境能力相一致。结果证明,海藻糖代谢工程与杂交介导的全基因组重组相结合,是提高酿酒酵母抗逆生长与乙醇发酵性能的有效策略与技术途径。     

转录组平台技术及其在代谢工程中的应用

组学技术在系统水平上对细胞代谢进行全面的分析,极大地促进了代谢工程的发展和应用。全基因组水平的转录分析可以使研究者更加精确地评估细胞表型,加深对细胞代谢的理解。而且转录组分析也有助于研究者鉴定菌种改良的目标基因,加速对微生物细胞工厂的合理设计及构建。文中介绍了3种主要转录组平台技术的原理,并总结了转录组学在代谢工程领域中应用的最新进展和未来发展趋势。     

氨基酸生产的代谢工程研究进展与发展趋势

氨基酸发酵是我国发酵工业的支柱产业,近年来,随着代谢工程的快速发展,氨基酸的代谢工程育种蓬勃发展。传统的正向代谢工程、基于组学分析与计算机模拟的反向代谢工程以及借鉴自然进化的进化代谢工程,都有越来越多的应用。在氨基酸的工业生产中涌现出了一系列具有高效生产、抗逆性强等优良性状的菌株。日益剧烈的市场竞争对菌株的选育提出了新的要求,如开发高附加值氨基酸品种、菌株代谢的动态调控、适应新工艺的要求等。文中介绍了氨基酸生产相关的代谢工程研究进展以及未来的发展趋势。     

氨基酸生产菌代谢工程研究发展趋势

正氨基酸及其衍生物具有重要的代谢与调控功能。随着代谢工程技术的迅速发展,代谢工程育种逐步取代传统的育种技术,在氨基酸生产菌株的选育中占据了主导地位,特别是在优良性状的选育,如菌株的低值原料利用能力、抗逆性等方面表现出越来越重要的作用。文章主要介绍氨基酸生产菌株的代谢工程育种技术及其发展趋势,以及代谢工程育种技术在菌株优良性状选育方面的应用。     

体内连续进化技术的研究进展

实验室进化是遗传育种、提高微生物性能的重要方式。近几十年来,实验室进化的方法快速发展,应用也越来越广泛,但是常见的菌株进化策略以及针对特定蛋白的进化存在突变过程不连续,需要多轮操作、工作量大等缺点。微生物突变和筛选技术的进步促进了体内连续进化的发展,大大提高了实验室进化的效率。体内连续进化技术实现了体内突变,完美地把突变与筛选相结合,以最少的人工干预进化出特定表型。文中总结了近年来在微生物底盘中开发的基因组范围的体内连续进化技术,以及独立于基因组的针对特定蛋白的体内连续进化技术,主要对这些技术实现体内连续突变的原理及其相关应用进行了介绍。在此基础上,分析了现有技术的优缺点,并对体内连续进化技术的发展进行了展望。     

苏云金芽胞杆菌LM1212菌株和突变株的全基因组序列比较分析

【背景】LM1212菌株是昆虫病原菌苏云金芽胞杆菌(Bacillus thuringiensis,Bt)中的一员,其芽胞和晶体分别产生于芽胞形成细胞和晶体产生细胞中,具有独特的细胞分化表型。与野生株LM1212相比,突变株LM1212-DB芽胞细胞比例明显降低并产生更高比例的晶体产生细胞,这使得LM1212-DB菌株成为研究晶体产生细胞形成机制和提高菌株杀虫活性的绝佳实验材料。【目的】比较LM1212菌株和LM1212-DB菌株的基因组差异,以便于揭示导致这两个菌株表型差异的原因。【方法】利用单分子测序技术(single molecular real-time,SMRT)和Pacbio RS II测序平台对两个菌株进行全基因组测序,对染色体和质粒、双组分信号系统和插入序列等进行差异分析,并构建表型特性相关基因的系统发育树。【结果】基因组分析发现,LM1212和LM1212-DB菌株均含有丰富的插入序列和双组分信号系统,暗示两个菌株极易发生基因重排且具有较强的环境适应性。与LM1212菌株相比,突变株LM1212-DB中发生了染色体和质粒片段缺失、质粒重排、质粒拷贝数变异。进一步分析缺失基因的功能发现,一些环境胁迫响应基因(如sigB)和芽胞形成相关基因(如abrB)等缺失;通过分析质粒拷贝数变异发现,具有增加晶体细胞比例功能的转录因子CpcR所在质粒的拷贝数增加1个,同时对CpcR的进化分析发现,与其亲缘关系最近的基因的从属菌株也产生与LM1212菌株相似的细胞分化表型。这些重要功能基因的缺失和拷贝数变异可能是导致两个菌株表型差异的原因。此外,突变株LM1212-DB缺失I型限制-修饰系统,这使得突变株LM1212-DB与野生菌株LM1212相比具有更好的外源DNA兼容性。【结论】突变株LM1212-DB染色体和质粒的结构变异可能是导致与野生株LM1212表型差异的潜在原因,这将为研究LM1212菌株的晶体细胞分化机制提供指导方向。     

应用代谢网络模型解析工业微生物胞内代谢

为了快速、高效地理解工业微生物胞内代谢特征,寻找潜在的代谢工程改造靶点,基因组规模代谢网络模型(GSMM)作为一种系统生物学工具越来越受到人们的关注。文中在回顾GSMM 20年发展历程的基础上,分析了当前GSMM的研究现状,总结了GSMM的构建及分析方法,从预测细胞表型和指导代谢工程两个方面阐述了GSMM在解析工业微生物胞内代谢中的应用,并展望了GSMM未来的发展趋势。     

基因组重排技术选育乙醇高产菌株

里氏木霉（Trichoderma reesei）被认为是最合适联合生物加工（consolidated bioprocessing）的微生物之一。原始里氏木霉菌株产乙醇能力太低,需要进一步提高其产酒量。我们通过基因组重排技术提高了里氏木霉菌株产乙醇能力和乙醇耐受力。首先对CICC40360菌株孢子进行NTG诱变得到正向突变菌株,再以此为出发菌株进行基因组重排。进行基因组重排后,重组菌株在含不同乙醇浓度的原生质体再生培养基上进行筛选。突变菌株和原始菌株一起做摇瓶发酵实验进行比较以确定产乙醇能力的提高。经过两轮基因组重排后,筛选获得表现最优异的重组菌S2-254。该菌株能在利用50g/l葡萄糖发酵出6.2g/l乙醇,同时能耐受3.5% （v/v）浓度乙醇。上述结果表明,本实验采用的基因组重排技术能够有效而且快速获得具有目的性状的优良菌株。     

兽疫链球菌中与透明质酸合成相关新基因的高通量筛选及克隆

【目的】兽疫链球菌(Streptococcus equi subsp. zooepidemicus)中透明质酸主要的生物合成途径和相关基因已经被研究得比较透彻,探究一种挖掘与透明质酸合成相关新基因的策略。【方法】利用自杀质粒pSET4s::sacB在宿主基因组中的随机整合作用,筛选具有表型差异突变菌株构建突变体库,进一步利用连接介导PCR (Ligation mediated PCR,LM-PCR)方法和全基因组重测序,检测质粒整合位点,通过基因无痕敲除和回补实验验证插入位点。【结果】构建了包含150株具有表型差异突变株的突变体库;以荚膜合成能力缺失的1号突变株(M1)作为基础研究对象,检测到自杀质粒整合到基因组458 960位点上,破坏了编码塔格糖-6-磷酸激酶的lacC基因;无痕敲除lacC基因得到ΔlacC,表型分析发现ΔlacC表现为粘性荚膜特性;进一步全基因组重测序发现,除了lacC基因位点存在插入突变,206 613位点存在碱基G缺失,导致编码透明质酸合成酶的hasA基因发生移码突变,且回补hasA基因后,M1恢复粘性荚膜合成能力。【结论】M1突变株粘性荚膜合成能力的缺失由hasA基因功能缺失引起,与lacC基因功能缺失无关。初步建立了兽疫链球菌中高通量筛选与透明质酸合成相关新基因的策略,为今后挖掘新基因奠定了基础。     

Curcuminoids as inhibitors of thioredoxin reductase: A receptor based pharmacophore study with distance mapping of the active site

Curcumin is the yellow pigment of turmeric that interacts irreversibly forming an adduct with thioredoxin reductase (TrxR), an enzyme responsible for redox control of cell and defence against oxidative stress. Docking at both the active sites of TrxR was performed to compare the potency of three naturally occurring curcuminoids, namely curcumin, demethoxy curcumin and bis-demethoxy curcumin. Results show that active sites of TrxR occur at the junction of E and F chains. Volume and area of both cavities is predicted. It has been concluded by distance mapping of the most active conformations that Se atom of catalytic residue SeCYS498, is at a distance of 3.56 from C13 of demethoxy curcumin at the E chain active site, whereas C13 carbon atom forms adduct with Se atom of SeCys 498. We report that at least one methoxy group in curcuminoids is necessary for interation with catalytic residues of thioredoxin. Pharmacophore of both active sites of the TrxR receptor for curcumin and demethoxy curcumin molecules has been drawn and proposed for design and synthesis of most probable potent antiproliferative synthetic drugs.     

A Unique Protease Cleavage Site Predicted in the Spike Protein of the Novel Pneumonia Coronavirus (2019-nCoV) Potentially Related to Viral Transmissibility

正Dear Editor,In December 2019, a novel human coronavirus caused an epidemic of severe pneumonia(Coronavirus Disease 2019,COVID-19) in Wuhan, Hubei, China(Wu et al. 2020; Zhu et al. 2020). So far, this virus has spread to all areas of China and even to other countries. The epidemic has caused 67,102 confirmed infections with 1526 fatal cases     

Comparative morphology of the carpel in the Liliaceae: Hewardieae, Petrosavieae, and Tricyrteae

The young pistils in the melanthioid tribes, Hewardieae, Petrosavieae and Tricyrteae, are uniformly tricarpellate and syncarpous. They lack raphide idioblasts. All are multiovulate, with bitegmic ovules. The Petrosavieae are marked by the presence of septal glands and incomplete syncarpy. Tepals and stamens adhere to the ovary in the Hewardieae and the Petrosavieae but not in the Tricyrteae. Two vascular bundles occur in the stamens of the Hewartlieae and Tricyrtis latifolia. Ventral bundles in the upper part of the ovary of the Hewardieae are continuous with compound septal bundles and placental bundles in the lower part. Putative ventral bundles occur in the alternate position in the Tricyrteae and putative placental bundles in the opposite. position in the Petrosavieae. The dichtomously branched stigma in each carpel of the Tricyrteae is supplied by a bifurcated dorsal bundle.     

Entwicklungsgeschichte und Ultrastruktur von Pollenkitt und Exine bei nahe verwandten entomophilen und anemophilen Angiospermensippen derAlismataceae,Liliaceae, Juncaceae,Cyperaceae, Poaceae undAraceae

Some closely related members of the monocotyledonous familiesAlismataceae, Liliaceae, Juncaceae, Cyperaceae, Poaceae andAraceae with variable modes of pollination (insect- and wind-pollination) were studied in relation to the ultrastructure of pollenkitt and exine (amount, consistency and distribution of pollenkitt on the surface of pollen grains). The character syndromes of pollen cementing in entomophilous, anemophilous and intermediate (ambophilous or amphiphilous) monocotyledons are the same in principal as in dicotyledons. Comparing present with former results one can summarize: 1) The pollenkitt is always produced in the same manner by the anther tapetum in all angiosperm sub-classes. 2) The variable stickiness of entomophilous and anemophilous pollen always depends on the particular distribution and consistency of the pollenkitt, but not its amount on the pollen surface. 3) The mostly dry and powdery pollen of anemophilous plants always contains a variable amount of inactive pollenkitt in its exine cavities. 4) A step-by step change of the pollen cementing syndrome can be observed from entomophily towards anemophily. 5) From the omnipresence of pollenkitt in all wind-pollinated angiosperms studied one can conclude that the ancestors of anemophilous angiosperms probably have been zoophilous (i.e. entomophilous) throughout.

     

Identification and Characterization of the First Equine Parainfluenza Virus 5

正Dear Editor,Parainfluenza virus 5 (PIV5), known as canine parainfluenza virus in the veterinary field, is a negative-sense,nonsegmented, single-stranded RNA virus belonging to the Paramyxoviridae family (Chen 2018). The virus was first reported in primary monkey kidney cells in 1954 (Hsiung1972), then it has been frequently discovered in various