茄子果实相关农艺性状全基因组关联分析研究进展与展望

茄子是重要的园艺作物,也是茄科植物中种植最广泛的蔬菜之一。茄子果实相关农艺性状是一种复杂的数量性状,传统育种选育效率低、周期长。高通量测序技术与生物信息学技术的快速发展,使得全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)在解析茄子果实相关复杂农艺性状的遗传规律方面展现出巨大的应用前景。本文对全基因组关联分析在茄子的果形、果色等果实相关农艺性状中的研究进展进行了综述;针对茄子数量性状遗传研究中普遍存在的“丢失遗传力”(missing heritability)问题,从4个GWAS策略在茄子果实相关农艺性状研究中的应用热点出发,提出了未来茄子GWAS的发展对策;并结合当前茄子遗传改良的实践需求,展望了GWAS策略在茄子分子育种领域的广阔应用前景。本文为今后利用GWAS解析各种茄子果实相关性状的遗传基础以及选育符合消费者需求的果实材料提供了理论依据和参考。     

一株产β-葡萄糖苷酶甘草内生菌的筛选、全基因组分析及产酶优化

【背景】从健康甘草须根中分离获得的一株芽孢杆菌具有高产β-葡萄糖苷酶的活性。【目的】探究分离菌株潜在的产酶遗传信息,为该菌深入研究与工业应用提供数据支撑。【方法】利用七叶苷培养基进行产β-葡萄糖苷酶的益生菌筛选,筛到一株产β-葡萄糖苷酶的芽孢杆菌,采用三代Nanopore PromethION和二代Illumina NovaSeq平台对菌株进行基因组测序与组装、并通过基因预测与功能注释等生物信息分析预测菌株潜在的β-葡萄糖苷酶基因。另外,以β-葡萄糖苷酶活性为指标,研究碳源、氮源、接种量、温度和起始pH对菌株产酶活性的影响。【结果】从甘草须根中分离得到一株具有β-葡萄糖苷酶活性的菌株,通过形态学观察、生理生化和分子生物学试验鉴定为芽孢杆菌属菌株,并命名为Bacillus rugosus A78.1。该菌株基因组大小为4 146 938 bp,G+C含量为43.86%,共编码4 255个基因。在基因组中,共注释到碳水化合物活性酶基因192个,其中β-葡萄糖苷酶基因10个,分别属于GH1和GH3家族基因。在基因本体（GO）、京都基因与基因组百科全书（Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG）和同源基因簇（clusters of orthologous groups of proteins,COG）数据库分别注释到2 896、4 019和3 657个基因。该菌株基因组测序结果上传至NCBI获得GenBank登录号为CP096590。菌株A78.1产β-葡萄糖苷酶的最佳碳、氮源分别为0.5%葡萄糖、1.0%酵母浸粉,最佳培养条件为温度37℃、3%接种量、pH 6.0,此条件下β-葡萄糖苷酶活力可达到（5.640±0.085） U/mL。【结论】通过全基因组测序分析及产酶优化试验确定了Bacillus rugosus A78.1优良的产β-葡萄糖苷酶能力及在碳水化合物代谢方面的潜力,为该菌株在纤维素分解、糖苷类化合物水解等生物、化工和食品领域的研究与应用提供基础。     

不同生境银柴胡根内生菌群落特征及其与药材主要有效成分、产量的相关性分析

【背景】银柴胡（Stellaria dichotoma var.lanceolata）具有重要的临床药用价值,其总甾醇和总黄酮含量是评价药材的关键。【目的】探究药用植物银柴胡在不同生境下根内生菌群落特征及其与药材主要成分、产量之间的关系。【方法】采用高通量测序技术和药材常规测定方法,分析了风沙土（semi-fixed aeolian sandy soil,SFA）生境、石砾质土（lithosol,LI）生境和黄绵土（loessal,LO）生境银柴胡根内生菌群落特征及其与药材性状响应关系。【结果】各生境银柴胡内生优势细菌门为放线菌门（Actinobacteriota）和变形菌门（Proteobacteria）,优势真菌门为子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）,而内生优势菌属因生境不同各不相同;银柴胡药材主要有效成分总甾醇和总黄酮含量在LI生境中较高,而单株干重和干鲜比在SFA生境中较高。Spearman相关性分析表明,与银柴胡药材有效成分及产量显著正相关的内生菌相对较多。综合比较,内生细菌如metagenome_g__norank_f__67-14和内生真菌如unclassified_p__Ascomycota等更为显著。【结论】与银柴胡药材关键活性成分相关的内生菌群落在种类鉴定和提取、菌种培养和次生代谢物分析等方面具有广阔的研究价值。本研究为银柴胡道地产区药材高质量产业发展提供理论参考。     

炎症性肠病与艰难梭菌感染相关性研究的文献计量学和可视化分析

【背景】近年来,炎症性肠病患者中艰难梭菌（Clostridium difficile）感染率逐年上升,受到国内外学者广泛关注。我国在该领域的研究起步较晚,但患者数量众多,学习国际上对于炎症性肠病合并艰难梭菌感染的研究,对推动我国在该领域的深入发展具有重要意义。【目的】通过文献计量和可视化分析帮助研究者把握炎症性肠病与艰难梭菌感染相关性研究中的研究主题、方向、热点与前沿。【方法】同时检索Web of Science （WOS）中Science Citation Index Expanded （SCI-E）和CNKI中收录的关于炎症性肠病和艰难梭菌的相关文献,应用CiteSpace 6.2.2r软件进行国家/地区、机构、作者、关键词共现及被引文献、期刊共被引分析,同时进行可视化分析。【结果】经过数据检索和查重,最终可供分析的文献为WOS数据库1 030篇、CNKI数据库80篇。全球范围内,发文最多的国家是美国,主要研究机构有Harvard University、University of California System和Mayo Clinic等,高产作者有Khanna S、Shen B和Ananthakrishnan AN等,高频关键词包括Inflammatory bowel disease、Ulcerative colitis、Clostridium difficile、Clostridium difficile infection和Crohn’s disease等,聚类方向有#0 Diarrhea、#1 Ulcerative colitis、#2 Probiotics、#3 Pouchitis、#4 Gut microbiota、#5 Fecal microbiota transplantation、#6 Depression、#7 Entamoeba histolytica、#8 Pseudomembranous colitis、#9 Clostridium difficile和#10 Clindamycin。国内主要研究机构有南方医科大学和河北医科大学,高产作者有王浦、王斯淇等,高频关键词包括粪菌移植、艰难梭菌、肠道菌群、危险因素和克罗恩病等,聚类方向有#0艰难梭菌、#1益生菌、#2危险因素、#3腹泻和#4粪菌移植。【结论】利用CiteSpace软件对炎症性肠病和艰难梭菌感染相关性研究进行计量及可视化分析可知,该方向仍得到全球各医疗机构及研究者的关注,腹泻及粪菌移植这两个关键词分别代表了WOS数据库和CNKI数据库关于炎症性肠病合并艰难梭菌感染研究的热点。     

L-氨基酸脱氨酶的分子改造及其用于全细胞催化法生产α-酮戊二酸条件的优化

酮戊二酸(α-ketoglutaric acid,α-KG)是谷氨酸脱氨基的酮酸产物,作为一种重要的有机酸广泛用于食品、医药、精细化工等领域。为提高L-氨基酸脱氨酶全细胞催化法合成α-KG的效率及产量,首先通过优化全细胞催化剂制备条件及全细胞转化反应条件,包括发酵过程中的温度、诱导剂浓度、诱导剂添加时刻、诱导时间等;全细胞转化过程中的温度、pH、细胞量、转化时间。各个条件优化后以200g/L谷氨酸钠为底物时,产量最终提高了54. 9%,摩尔转化率为39. 6%。其次,通过定点饱和突变对L-氨基酸脱氨酶进行定向进化以提高其催化能力。经过多次突变、筛选,最优突变体E. coli BL21-pET-20b(+)-pm1152催化200g/L谷氨酸钠生成α-KG最高产量为100. 9g/L,摩尔转化率为64. 7%,较最初对照菌株提高了66. 3%。结果表明,条件优化和饱和突变可有效提高重组大肠杆菌全细胞转化合成α-KG的能力。     

米槁根际土壤真菌多样性及其与果实药用活性成分含量的相关性分析

为了解不同产地米槁Cinnamomum migao根际土壤真菌多样性及其差异,探讨米槁活性成分、土壤理化因子与其土壤真菌群落的联系。本文采用高通量测序技术对云南、贵州及广西的9个产点米槁根际土壤真菌群落组成和结构进行分析,测定不同产地米槁的主要活性成分及土壤理化因子,同时对米槁活性成分及其与土壤理化因子和根际土壤真菌种群多样性进行相关性分析。结果表明,米槁根际土壤真菌物种可归入8门、30纲、89目、200科、440属,优势类群为一未能分类的属,相对丰度为18.76%,其次为被孢霉属Mortierella（16.37%）等;不同产地米槁根际土壤真菌群落组成存在差异,最高多样性指数出现在贵州罗甸,随后依次为贵州望谟、广西乐业、广西天峨、贵州册亨、贵州荔波、云南富宁、云南那坡、贵州贞丰;总体而言,广西乐业、贵州望谟和广西天峨3地米槁果实样本活性成分1,8-桉叶素（1,8-cineole）、香桧烯（sabinene）、柠檬烯（limonene）和α-松油醇（α-terpineo）的含量均高于其他样本;冗余分析（redundancy analysis,RDA）结果表明,部分真菌类群与米槁药用活性成分呈正相关。     

基因组数据揭示肺形侧耳X1野生菌株后代单孢的特异交配型位点

肺形侧耳味道鲜美,营养丰富,深受广大消费者喜爱。它属于四极性异宗结合担子菌,但其交配型位点结构仍未被解析。本研究利用二代测序技术对肺形侧耳的基因组进行测序,通过生物信息学方法找到了肺形侧耳野生菌株X1菌株后代单核菌株的交配型位点。结果显示肺形侧耳的A交配型位点较为特异,2株原生质体单核化菌株（X1-1和X1-15）的A交配型位点结构差异较大,X1-1含一对保守的HD1和HD2基因,而X1-15除了一对HD1和HD2基因外,还含有额外的2个HD2基因和1个HD1基因。肺形侧耳的B交配型位点与其他担子菌的交配型位点相似,含有8个信息素受体基因和1个信息素前体基因。本研究揭示的肺形侧耳特异的交配型位点结构为后期的遗传育种提供了理论依据。     

不同产地杜仲根际土真菌群落结构的差异性分析

基于宏条码技术对采自贵州遵义县、湖南慈利县和四川旺苍县3个杜仲产地根际土壤的真菌群落组成进行了分析。研究获得根际土壤真菌有效序列共10 775条,聚类后OTUs对应的真菌类群涉及子囊菌门Ascomycota、担子菌门Basidiomycota、接合菌门Zygomycota、球囊菌门Glomeromycota、壶菌门Chytridiomycota、类原生动物门Rozellomycota的22纲、59目、103科、108个属的550个真菌分类单元(OTUs)。在属的水平上,湖南慈利样本(ECS)有119个属,优势属为镰刀菌属Fusarium,相对丰度为16.31%,其次是被孢霉属Mortierella(14.67%)、毛壳菌科Chaetomiaceae一未定属(13.01%)和木霉属Trichoderma(11.37%)等。四川旺苍样本(EWS)共有116个属,优势属为丝齿菌属Hyphodontia,相对丰度32.32%,其次为镰刀菌Fusarium(13.41%)等。贵州遵义样本(EZS)有110个属,优势属为被孢霉属Mortierella,相对丰度30.74%,其次是木霉属Trichoderma(25.96%)和镰刀菌属Fusarium(4.85%)等。α多样性分析表明,不同产地杜仲根际土壤真菌群落组成有明显差异。遵义样本(EZS)、慈利样本(ECS)和旺苍样本(EWS)的Shannon多样性指数从高到低为:ECS(2.7661)> EZS(2.4841)>EWS(2.1326)。不同杜仲产区土壤理化因子及4个主要活性成分(松脂醇二葡萄糖苷、绿原酸、京尼平苷酸和京尼平苷)与根际土真菌群落组成的相关性分析表明,4个主要活性成分皆为四川旺苍(EWS)产地含量最高,其次是湖南慈利,贵州遵义最低甚至不含京尼平苷。杜仲根际土壤样品真菌物种组成丰富,不同地区杜仲根际土壤真菌群落组成、分类单元的相对丰度及优势分类单元皆存在不同程度差异。杜仲根际土真菌群落结构的多样性与土壤理化因子及杜仲主要有效成分含量具有一定相关性。杜仲根际土真菌群落组成的结构谱是杜仲道地性的重要特征。     

文蛤过氧化氢酶的生物信息学分析

基于NCBI数据库,对文蛤过氧化氢酶基因(MmeCAT)进行生物信息学分析,旨在为文蛤过氧化氢酶的结构与功能的研究提供理论基础。结果表明,该基因编码511个氨基酸。文蛤过氧化氢酶分子量为58 181.29 Da,分子式为C_(2588)H_(3928)O_(767)N_(730)S_(20),理论等电点为8.05,属亲水蛋白。带负电荷氨基酸残基数(Asp+Glu)为63个,带正电荷氨基酸残基数(Arg+Lys)为65个。假设所有半胱氨酸全部形成胱氨酸,其消光系数为63 175 mol/L,相应的吸光度为1.086;假设所有的半胱氨酸均未形成胱氨酸时,消光系数为62 800 mol/L,相应的吸光度为1.079;其半衰期为30 h,脂肪族氨基酸指数为57.28,不稳定系数为27.77(40),可知文蛤过氧化氢酶为稳定蛋白质。亚细胞定位于过氧化物酶体,存在71个磷酸化位点和51个糖基化位点,无信号肽。二级结构以无规卷曲和α-螺旋为主,在物种进化上具有高度的保守性保守结构域预测表明,该基因编码蛋白可能属于典型单功能过氧化氢酶的第三分支。研究文蛤过氧化氢酶结构,能够为文蛤抗逆性品种选育提供理论基础。     

幽门螺杆菌感染胃组织基因芯片生物信息学分析

为探讨幽门螺杆菌感染胃组织后差异基因变化,深入分析参与疾病发生、发展的分子机制。从GEO(Gene Expression Omnibus)数据库下载幽门螺杆菌感染胃组织基因芯片数据(GSE5081),根据胃粘膜组织是否受损分组,分别比较幽门螺杆菌感染者与阴性对照组,获得差异基因并进行功能分析包括GO分析、信号通路分析,基因相互作用及基因共表达,得到重要核心基因,并通过实时定量PCR方法进行验证。结果表明:得到参与幽门螺杆菌感染后上调的44个主要基因,主要涉及的GO分析及信号通路包括免疫反应、炎症反应、抗原提呈、细胞因子通路、因子受体关联,细胞粘附分子等。研究发现核心基因CXCR4,CCL20,JAK3,TNFAIP2,PLEK,HLA-DMA,PTPRC,CXCL13,BCL2A1,并通过实时定量PCR的方法进行部分验证,CXCR4,CXCL5,CXCL2在幽门螺杆菌感染后的胃黏膜组织表达高于对照组。幽门螺杆菌感染后胃粘膜组织引起免疫反应,炎症反应,抗原提呈,因子受体关联,细胞粘附分子通路的激活。同时发现一些主要的趋化因子相关基因CXCR4,CXCL5,CXCL2,CCL20,CXCL1等,涉及增殖,炎症,免疫,凋亡基因JAK3,TNFAIP2,PLEK,HLA-DMA,PTPRC,BCL2A1等的表达上调,并实时定量PCR验证部分相关基因的表达。这些结果为从分子网络机制层面上认识幽门螺杆菌感染提供分析思路及基础。