蓝细菌基因组拷贝数的研究进展与展望

蓝细菌是一类古老的光合原核微生物。就基因组拷贝数(倍性)而言,蓝细菌是原核生物中基因组低、中、高拷贝共存的典型类群之一,而基因组多拷贝特性是制约蓝细菌高效遗传改造的瓶颈。已有研究表明,蓝细菌的基因组拷贝数表现出生长周期的依赖性并受多种遗传、环境因子的影响。文中综述了蓝细菌基因组拷贝数的国内外最新研究进展、分析方法及影响因素,并讨论了蓝细菌基因组多拷贝研究的环境生态和生物技术意义。最后,对未来蓝细菌基因组拷贝数相关的研究方向作出展望。     

原核生物全基因组中16S rRNA基因的识别

【目的】识别原核生物全基因组中的16S rRNA基因。【方法】本文依据基因序列的GC碱基含量、碱基3-周期性和马尔可夫链3个方面的特性,构建了识别原核生物全基因组中16S rRNA基因的三层过滤模型。【结果】经检验,模型的特异性、敏感性和马修斯相关系数分别为99.58%、91.60%和91.49%。【结论】结果表明,本文所提出的方法可以高效、准确地识别出16S rRNA基因。     

16S rRNA基因在微生物生态学中的应用

16S rRNA(Small subunit ribosomal RNA)基因是对原核微生物进行系统进化分类研究时最常用的分子标志物(Biomarker),广泛应用于微生物生态学研究中。近些年来随着高通量测序技术及数据分析方法等的不断进步,大量基于16S rRNA基因的研究使得微生物生态学得到了快速发展,然而使用16S rRNA基因作为分子标志物时也存在诸多问题,比如水平基因转移、多拷贝的异质性、基因扩增效率的差异、数据分析方法的选择等,这些问题影响了微生物群落组成和多样性分析时的准确性。对当前使用16S rRNA基因分析微生物群落组成和多样性的进展情况做一总结,重点讨论当前存在的主要问题以及各种分析方法的发展,尤其是与高通量测序技术有关的实验和数据处理问题。     

紫芝基因组rDNA序列特征及ITS2二级结构比较

紫芝栽培品种‘紫芝S2’(武芝2号)的ITS序列与NCBI数据库中5个紫芝菌株/分离株相似度高达99.79%-100%,在系统进化树上相聚成一类。本研究预测‘紫芝S2’基因组与参考基因组中的rRNA基因簇,分析rDNA结构及各构件序列间的多态性。从高质量‘紫芝S2’基因组中挖掘得到完整rDNA,序列全长40.377 kb,由4组串联重复的(18S、5.8S、28S、5S) rRNA基因簇组成,并含有完整的基因内间隔区(ITS1、ITS2)和基因间间隔区(IGS1、IGS2)。在紫芝S2的rDNA中,高度保守的28S rRNA基因间出现3个SNP和2个插入(1 bp,10 bp)位点;虽然第4条ITS2中有1个SNP位点,但紫芝S2的4条ITS2在二级结构上的分子形态高度一致,与ITS2数据库中其他紫芝菌株仅存在螺旋区间夹角的微小差异。由‘紫芝S2’基因组rDNA的ITS2生成的DNA条形码与二维码,可以作为该栽培品种鉴定与同源物种其他菌株鉴别的分子标记。     

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。     

分离自印度洋深海沉积物的部分链霉菌分离株多位点序列分析

【目的】采用多位点序列分析方法,研究印度洋3 000 m以下深海沉积物中分离得到的16S rRNA基因比对高度相似的链霉菌菌株的种间系统发育关系,同时探讨各管家基因及多基因聚类分析后的种间区分能力。【方法】以分离自印度洋深海沉积物的7株Streptomyces albidoflavus,11株Streptomyces cavourensis,16株Streptomyces pratensis为研究对象,以16S rRNA、atpD、recA和rpoB基因片段为标记,通过PCR扩增、测序,获得序列。同时从NCBI上下载5株S.pratensis上述4个基因的序列,将所有序列在MLST网站进行比对,并构建系统进化树进行比较。【结果】S.pratensis各菌株种内比较发现,16S rRNA基因构建的系统进化树中相同基因型的菌株没有聚在一起,系统进化树不稳定,区分度不高。其余3个构建的系统进化树稳定,菌株的聚类关系与MLST数据库得到的基因型一致。同时,多基因聚类分析后将菌株分为6个类群。在3个种的种间多位点序列比较中,除区分度明显增加、进化树更加稳定以外,还发现rec A基因进化上比较特殊的菌株。【结论】多位点序列分析将实验菌株分为很多不同的类型,成功地将所分离的链霉菌进行了更细的分类,同时也找到部分菌株在个别基因上差异较大。此方法可以用于相近种的快速鉴定。     

群落分析中的16S rRNA及其基因16S rDNA优化扩增

本文较为完整地综述了16SrRNA在细胞中的地位和作用、转录组成、其全长基因中可变区与保守区的位置、在不同种类中的拷贝数、二级结构,及其在群落研究过程中PCR扩增产生的16S rRNA的异常序列与解决方法;以期为更多的科研工作者提供可靠参考和借鉴,提高以16S rRNA为靶分子的群落研究结果的准确性和真实性。     

反硝化功能基因—— 检测反硝化菌种群结构的分子标记

反硝化菌种类繁多, 且分属多个分类学上的不同种属, 故不能利用常规的16S rRNA测序方法对其进行研究。利用编码反硝化酶的功能基因作为分子标记, 可以有效研究环境样品中反硝化菌的种群结构、数量以及活性等。本文重点介绍了主要的反硝化功能基因以及常用的扩增引物, 分析了反硝化功能基因与16S rRNA系统发育之间的关系, 比较了nirS和nirK基因菌的群落分布特征, 对目前反硝化功能基因的研究和应用现状进行了综述, 讨论了研究中发现的新问题, 期望为研究复杂微生物的生态特征提供参考。     

叶绿体4.5SrRNA——Ⅱ基因与起源

在植物叶绿体中,rRNA 基因的排列顺序与原核生物大肠杆菌和蓝绿藻的 rRNA 基因排列顺序相似:16S rDNA—间隔顺序—23S rDNA—间隔顺序—5 S rDNA。在高等植物叶绿体中,在23S rDNA 的3′下游端和5SrDNA的5′上游端之间的间隔顺序内,还存在着4.5 S     

代表性差异分析比较两株来自不同地区的猪源Lactobacillus菌株

[目的]对分离自猪肠道的乳酸杆菌S1菌株进行鉴定,并比较该菌株与同种的001T菌株的基因差异.[方法]对S1菌株进行16S rRNA基因序列分析和种特异PCR检测,并且对S1菌株和Lactobacillus sobrius 001T进行代表性差异分析(Representational difference analysis,RDA).[结果]16S rRNA基因序列分析表明,与S1菌株最相似的已知菌为L.sobrius.变性梯度凝胶电泳分析显示,仔猪空、回肠细菌图谱中有一与S1菌株有相同迁移位置的优势条带,克隆、测序鉴定表明,与该条带相匹配的16S rRNA基因克隆(Clone S)的最相似已知菌也为L.sobrius.16S rRNA基因系统进化分析表明,S1菌株与Clone S和L.sobrius 16S rRNA基因序列同源性分别为99.8%和99.6%.L.sobrius特异性引物也可以扩增S1株菌的16S rRNA基因的特定片段.因此S1菌株可被确定为Lsobrius.RDA对菌株S1和同种的猪源L.sobrius 001T菌株的基因差异进行分析,未发现这两株菌的基因组差异.[结论]猪肠道乳杆酸菌S1菌株属于L.sobrius,其与猪源L sobrius 001T菌株为相似菌株.     

拟双角斯氏线虫共生细菌的分离与鉴定

从我国东北地区采集的拟双角斯氏线虫(Steinernema ceratophorum)肠道内分离到1株具有较强生物活性功能的致病杆菌菌株CB43。形态特征及生理生化特征测定结果表明,CB43菌株与致病杆菌属(Xe-norhabdus)的基本特性相似;对寄主线虫的产量有明显的促进作用,其代谢物对细菌和真菌均有较强的抑制活性,符合线虫共生菌的基本特性和功能。16S rRNA序列及根据16S rRNA序列构建的系统发育树中,CB43菌株与Xenorhabdus budapestensis序列同源性最高,形成一个类群。但CB43菌株不能产生吲哚,在麦芽糖、海藻糖、D-葡萄糖酸和乙酸利用等生化特征与X.budapestensis存在一定的差异,可能是由于菌株的生态差异造成的。根据形态及生理生化特征,结合16S rRNA序列分析,CB43菌株属于Xenorhabdus budapestensis。     

湘西地区猕猴桃溃疡病病原菌分离及其全基因组分析

通过了解湘西地区猕猴桃溃疡病致病菌分类地位和基因类型,初步探讨其致病的分子机理。采用纯培养法分离猕猴桃溃疡病菌;基于16S～23S rRNA基因内转录间隔序列进行病原菌的系统发育分析;通过基因组测序和生物信息学分析解析其致病的分子机理。从“米良1号”和“红阳”猕猴桃感病枝条中分离获得5株溃疡病菌,编号为L211、L212、L321、L322、L323;通过形态特征和16S～23S rRNA基因内转录间隔序列分析,鉴定5株细菌均为丁香假单胞菌猕猴桃致病变种(Pseudomonas syringae pv.actinidae,Psa)。以菌株L211为代表进行体外猕猴桃枝条接种实验表明能引起典型溃疡病症状。通过菌株L211的全基因组测序和生物信息学分析,获得5 741条基因数目,长5 412 072 bp;基因功能注释发现菌株L211携带121种毒力因子、71个植物互作因子和77个耐药基因;同时,基因组单核苷酸多态性分析发现病原菌L211为基因Ⅲ型Psa。引起湘西地区猕猴桃溃疡病的病原菌是丁香假单胞菌猕猴桃致病变种基因Ⅲ型,与国内外报道的引起猕猴桃溃疡病大流行的致病菌一致。猕猴桃溃疡病发病...     

合欢、金合欢和银合欢根瘤菌系统发育研究方法比较

利用位于染色体不同位点的多个基因序列进行分析是原核生物分类与系统发育研究的一个热点.本文采用atpD和glnⅡ两个持家基因的部分序列对9株分离自我国合欢、金合欢和银合欢的根瘤菌进行系统发育研究,并与以16S rDNA基因序列构建的系统发育树进行比较.结果表明三者在属水平上基本一致,CCBAU43060、CCBAU61139位于Rhizobium-Agrobacterium系统发育分支内;CCBAU51471、CCBAU35220、CCBAU51276和CCBAU61158属于Mesorhizobium,CCBAU35234、CCBAU61178和CCBAU35085位于Bradyrhizobium系统发育分支;在属内种间个别菌株(CCBAU61158、CCBAU43060、CCBAU61178)的系统发育地位存在差异,表明属内种间存在较广泛的基因交流.因此利用16S rDNA确定属水平的分类地位比较可靠,但利用系统发育的方法研究属内种间亲缘关系应采用多个功能保守的持家基因同时进行分析才能得出比较可靠的结论.     

木根麦冬与林生麦冬5S rRNA基因的进化

为了揭示多拷贝基因的进化方式,对濒危植物木根麦冬（Ophiopogon xylorrhizus Wang et Dai)3个居群、6个个体的294个5S rRNA基因拷贝及其姐妹种林生麦冬（O.sylvicola Wang et Tang) 的45个拷贝进行了DNA测序和序列分析,并以这个迄今发表的最大的单个物种的5S rDNA基因数据,以PAUP程序重建了分子系统发育树。结果表明：1）所得序列呈高度多样性,长度变化在307－548碱基之间,仅13对（3．8％）相同,序列分化指数较高：木根麦冬是0．078,林生麦冬是0．032,两物种间是0．149;2）100％的统计值支持两物种的5S rRNA基因分别来自于祖先种的一个拷贝,即“建立者拷贝”,这个拷贝在物种形成之后进行了一系列连续的扩增,形成一个直系的基因家族,而祖先种的其他拷贝在物种形成后被丢失;3）不同拷贝是独立进化的,序列间的一致化过程很弱,这在串联重复的rRNA基因中是罕见的;4）木根麦冬居群间曾存在频繁的基因交流,使5S rRNA基因的许多拷贝扩散于不同居群,维持着种内较高的遗传多样性。可以认为是某些近期发生的变化,阻止了居群间的基因交流,导致该物种广泛的自交,发生自交衰退,并最后导致濒危。     

枯草芽孢杆菌N2-10的基因组测序和比较基因组分析

【背景】枯草芽孢杆菌N2-10是一株具有较强抑菌能力且能产纤维素酶等多种水解酶的革兰氏阳性菌,在发酵饲料中具有较大的应用潜力。【目的】通过获得枯草芽孢杆菌N2-10的全基因组序列信息,进一步解析菌株次级代谢产物合成基因信息,并通过比较基因组学分析菌株N2-10与模式菌株的差异性,为阐明N2-10抑菌和益生机制提供理论基础。【方法】通过二代Illumina NovaSeq联合三代PacBio Sequel测序平台,对菌株N2-10进行全基因组测序,将测序数据进行基因组组装、基因预测与功能注释,并利用比较基因组学分析N2-10与其他菌株的差异。【结果】菌株N2-10基因组大小为4 036 899 bp,GC含量为43.88%;共编码4 163个编码基因,所有编码基因总长度为3594369bp,编码区总长度占基因组总长度的89.04%;含有85个tRNA、10个5S rRNA、10个16S rRNA、10个23S rRNA,以及2个CRISPR-Cas、1个前噬菌体和6个基因岛;在GO (gene ontolog)、COG (clusters of orthologous groups of...     

中气门亚目线粒体基因组研究概述

中气门亚目(Mesostigmata)是寄螨总目(Parasitiformes)中物种多样性最为丰富的类群,全世界大约有11 424种。线粒体基因组是存在于真核生物中的重要遗传物质,因其具有分子量相对较小、突变率高、呈母系遗传及在细胞中拷贝数量多等特点,已成为研究系统发育关系最具价值的分子标记。本文对中气门亚目已测序物种的线粒体基因组结构、非编码区、碱基组成、基因重排、 tRNA基因和rRNA基因特征进行综述,发现中气门亚目物种的碱基组成呈明显的AT偏倚性,部分物种的线粒体基因组发生了不同程度的重排,有些物种具有截短的tRNA。进一步分析了中气门亚目物种线粒体基因组独特的结构特征和变异情况,总结了中气门亚目不同科属间线粒体基因组的差异。根据现有的线粒体基因组数据和分析方法阐明了中气门亚目物种的系统发育关系。研究结果有助于深入了解中气门亚目物种的具体进化历程,对推动中气门亚目物种线粒体基因组学、种群遗传学及分子系统学的研究具有重要意义。     

原核生物中小RNA的功能及研究进展

在原核生物基因组中,除了tRNA、rRNA和mRNA这3种我们很熟悉的RNA以外,目前已经知道还含有许多编码非常规调控的RNA。这些RNA的长度为50～400核苷酸,通常由原核生物的基因间区编码,但并不翻译成蛋白质,因此被称为非编码小RNA（sRNA）,简称小RNA或非编码RNA。近年来,随着生物信息学和分子生物学技术的不断发展,在原核生物体内陆续发现了上百种sRNA分子,这些sRNA分子具有多样的生物学功能,作为一类新发现的基因表达调控子已经引起了高度的重视。     

功能基因中的微卫星序列

微卫星序列广泛存在真核生物和一些原核生物的基因组中,它在基因组中的分布并不是随机的。不同重复拷贝类别在基因组中存在种属间和碱基组成的特异性,各种优势的重复序列类型不同。此外,基因中在编码区和非编码区的分布也表现出种属和碱基组成差异。这种差异显示了微卫星序列起源进化的复杂性,也反映了基因中微卫星序列的生物学功能。功能基因为遗传学工作者提供了一个联系表型和基因型的手段,研究功能基因中的微卫星序列不仅在绘制精细遗传图谱、筛选重要农艺性状基因、物种进化等问题上都有着重要的作用,而且在疾病治疗有潜在的应用价值。本文主要阐述了微卫星序列的形成机制、基因中微卫星序列的分布以及功能基因中微卫星序列的生物学作用,并指出了目前实践中的一些问题。     

PCR-SSCP技术在嗜盐放线菌链单孢菌属快速筛选中的应用

为提高嗜盐放线茵的研究效率,快速、准确的从大量分离菌株中去除重复菌株、筛选出目的菌株,在特异性引物快速定属的基础上,以嗜盐放线茵链单孢茵属的34株菌株为研究对象,采用与PCR相结合的单链构象多态性分析(PCR-SSCP),扩增出16S rRNA基因中的两个高变区,根据结果对34株菌株进行聚类分析,并将其16S rRNA基因片段测序予以验证.结果表明,聚类后34株菌株可大致分为3类,且与16S rRNA基因片段分析结果一致.从而可快速去除重复菌株并反映出菌株间的系统进化关系.同时实验数据可构建成库,使后续分离菌株的筛选工作只需比对数据即可完成,利于提高工作效率,降低实验成本.     

基于16S rRNA基因序列对织纹螺属的分子系统学分析

研究利用线粒体16S rRNA基因序列片段,对织纹螺属6亚属11种动物进行分子系统学分析。结果显示,种内遗传距离(0～0.007)与种间遗传距离(0.019～0.088)无重叠,这表明线粒体16S rRNA基因能较好地反映织纹螺种间的亲缘关系; 而亚属内遗传距离(0.018～0.031)与亚属间遗传距离(0.028～0.083)存在重叠,表明线粒体16S rRNA基因不能对一些贝壳形态相似的亚属进行区分。同时,确定了疑难种灰白织纹螺Nassarius(Zeuxis)canaliculatum的分类地位,并与相似种西格织纹螺N.(Z.)siquijorensis进行了对比; 确认了秀丽织纹螺Nassarius(Hima)festivus应属于Hima亚属;建议保留单型亚属Varicinassa的有效性。