适应性实验室进化在工业生产菌株选育中应用的进展

适应性实验室进化是一种在实验室里将微生物置于一定选择压力下,通过长期驯化,筛选获得具有特定表型突变菌株的方法.近年来,该方法通过改进特定进化条件和筛选策略,已广泛应用于筛选具有优良特性的工业生产菌株,如特定表型筛选、底物高效利用、目标产物合成及生长特性优化等工业微生物菌株选育.本文综述了适应性实验室进化技术在工业生产菌...     

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。     

微生物系统定向进化与合成生物学应用研究进展

当前,生物技术应用常常需要对多基因性状进行复杂的工程化改造,然而复杂表型的遗传基础背景的缺乏限制了人们进行理性设计的能力。人们利用合成生物学工具可以对复杂表型在系统水平进行工程化改造,通过定向进化策略推动整个生物系统的进化,在不知道目标性状的遗传基础的情况下仍可以获得人们所期望的表型。合成生物学的发展加速了生物的定向进化过程,利用其可以对生物系统中复杂性状进行工程化改造。对当前合成生物学在微生物系统中复杂性状定向进化的研究进展进行综述。     

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。     

结合系统发育与群体遗传学分析检验杂交是否存在的技术策略

杂交通常指不同类群间(种间或种内)经有性途径的遗传交流。越来越多的研究表明,作为一种遗传交换过程,杂交是生物多样性形成、维持和丧失的重要机制,它广泛参与了动物、植物、微生物等的类群分化。然而,我们对杂交过程中遗传交换的普遍性、存在模式、产生机制的认识还非常有限。当前,高通量测序技术的飞速发展和基因组学研究技术的普遍应用,为深入评价遗传交换的普遍性和进化意义提供了前所未有的契机。如何选用恰当的研究技术与策略检验潜在的杂交并评价它的特征,成为大家普遍面临的问题。本文试图综合来自系统发育和群体遗传等相互关联学科中不同的技术策略,以当前流行的高通量测序技术为核心,结合表型和细胞遗传学等多种数据获取和分析手段,概括不同分析策略的特点,联系必要的实例研究,为生物多样性与进化领域的学者提供检测遗传交换的参考。     

人体肠道微生物多样性和功能研究进展

人体肠道中庞大而复杂的微生物群落对人体自身代谢表型有深远的影响.肠道微生物群落在亚种或菌株水平上表现出极大的多样性.利用微生物分子生态学、元基因组学和代谢组学研究方法,发现肠道微生物与宿主表现出共进化的特点,肠道微生物群落及其基因组为宿主提供了互补的遗传和代谢功能,表现出互惠共生关系.但是,肠道微生物群落中影响宿主代谢表型的关键功能菌鉴定及其作用模式问题仍然悬而未决,综合运用多种高通量研究方法和多维数据分析方法可能成为解决这个问题的突破口.     

植物群体表观遗传学研究进展

植物表观遗传多样性是对生物多样性的遗传多样性层面的补充,也是植物表型多样性的重要来源,研究表观遗传多样性的群体表观遗传学应运而生。在植物自然种群的研究中,群体表观遗传学弥补了群体遗传学对不符合孟德尔遗传定律的表型遗传的认识,是对现代综合进化论的重要补充。分子生物学技术的发展,为研究表观遗传变异提供了甲基化敏感的扩增片段长度多样(MS-AFLP)、结合二代测序的亚硫酸氢钠测序法等有力的技术手段。在生态和进化领域,自然种群中表观遗传变异与遗传变异、表型可塑性、生境分化、物种形成的关系成为研究的热点。表观遗传机制在生态系统和生物进化中的作用也逐渐得到揭示,本综述回顾近年来植物群体表观遗传学的实验研究和理论观点,展望了植物群体表观遗传学在研究方法和研究主题上的前景。     

基于工业环境扰动的微生物适应性进化

合成生物学技术的快速发展极大提升了微生物细胞工厂的构建能力,为化学品的绿色高效生产提供了重要策略。然而,微生物细胞难以耐受高强度工业环境、抗逆性差,成为了限制其生产性能的关键因素。适应性进化是一种人为施加定向选择压力,使微生物经过长期或短期驯化,获得适应特定环境的表型或生理性能的重要方法。近年来,随着微流控、生物传感器、组学分析等技术的发展,适应性进化为提升微生物细胞在工业环境下的生产性能奠定了基础。本文论述了适应性进化的关键技术及在提高微生物细胞工厂环境耐受性和生产效率方面的重要应用,并展望了适应性进化实现微生物细胞工厂在工业环境下高效运行的重要前景。     

逆向代谢工程的最新研究进展

随着高通量测序技术的快速发展,可以快速地通过基因组尺度的序列比较,来全面、系统地探讨工业生产菌株和实验室优良菌株的遗传基础,分析基因型-表型之间的关系;同时结合准确的基因组修饰技术,完成基于全基因组突变分析的逆向代谢工程。近年来,基于全基因组突变分析的逆向代谢工程已经成功地应用于微生物优良菌株选育,成为了研究的前沿和热点。综述了近几年逆向代谢工程发展的研究方法,突变型-表型相关性分析,逆向代谢工程的最新进展及其应用,并讨论其面临的问题及挑战。     

植物性染色体进化及性别决定基因研究进展

植物性染色体起源于1对常染色体, 其在不同雌雄异株植物中多次起源并独立演变, 是研究性染色体起源和进化机制的理想材料。过去的研究在一定程度上阐明了植物性染色体的起源和演化动力; 且性染色体遗传退化、性别决定基因以及剂量补偿效应正逐渐成为研究的热点。近年来, 关于植物性染色体进化及性别决定基因的研究取得了一些重要进展。该文综述了植物性染色体的起源、进化、遗传退化、剂量补偿效应以及性别决定基因等, 并对植物性染色体进化研究发展趋势进行了展望。     

植物表型可塑性研究进展

表型可塑性已成为生态进化发育生物学的核心概念,很大程度上由于植物可塑性研究的主要贡献,但人们仍远未完全了解表型可塑性的原因和结果。从整体角度理出表型可塑性研究发展的基本脉络,介绍研究内容、途径和简史,聚焦于几个主要方面的研究进展及发展方向。现代可塑性研究的兴盛始于关于可塑性的进化学重要性的一篇综述,从现象的描述、对其遗传基础和可塑性本身进化的讨论,发展到探索其背后的发育机制、植物生长与适应策略、生态学影响等。未来可塑性研究应在重新理解和评价表型可塑性及其适应性的基础上,更关注自然条件下环境因子和可塑响应的复杂性。表型可塑性的生态-进化学意义仍将是未来研究的重点。     

细菌比较基因组学和进化基因组学

通过比较不同细菌基因组间差异性与相似性,进而深入研究其分子机理,最终与其表型特征联系起来,是为比较基因组学;不同细菌经过长期进化,其基因组在结构与功能上存在着明显的分化,并构成表型进化的遗传基础,大量细菌全基因组测序的完成,细菌进化基因组学应运而生;以比较基因组学为研究手段,细菌进化基因组学可从基因组水平深入认识物种分化、生境适应、毒力进化、耐药性产生蔓延等表型进化过程。     

牛、绵羊角的遗传定位及遗传机制研究进展

角属于动物颅骨附属物,为反刍动物所特有。牛(Bos taurus)、绵羊(Ovis aries)角的表型包括野生型两角表型、人工驯化的无角表型、畸形角等多种。牛和绵羊是阐明角的质量性状和数量性状之间的关系以及质量性状的多基因调控机制等方面的理想动物模型。近年来,对角性状研究不断深入,在阐明新器官起源进化、自然选择、性别选择和人工选择对角表型的影响等方面取得了一系列进展。本文详细介绍了角的研究概况、多角表型遗传定位、无角位点基因遗传定位和畸形角等,并对目前牛和绵羊角的遗传机制及存在的问题进行了分析,以期为反刍动物角性状和其他特异性性状遗传机制研究提供参考。     

从遗传力到肠菌力：概念及研究进展

遗传力是数量遗传学中衡量性状遗传变异的重要参数之一,对动植物遗传育种、医学和进化生物学均具有重要意义。自1918年Fisher提出方差组分剖分思想后,遗传力的分析模型和估计方法不断迭代更新。近年来,一些研究者在研究肠道微生物与宿主表型关系的热点问题中,引入类似于遗传力的概念和估计方法,系统评估动物机体性状表现受肠道微生物因素的影响程度,本文将这一参数(microbiability,m2)译为"肠菌力"。文章简要介绍了遗传力估计的发展历程,概述了肠道菌群与宿主基因组的复杂关系,重点阐释了肠菌力的概念和估计方法,以期为肠道微生物组塑造宿主表型变异的研究提供一定的借鉴和参考。     

果蝇中顺式调控序列的进化

顺式调控序列(cis-regularory sequences)是与基因表达调控相关、能够被调控因子特异性识别和结合的非编码DNA序列。顺式调控序列可以通过增减所含转录因子结合位点的数目,重构转录调控网络,以精准调控基因的时空表达模式,从而调控动物的生理和形态表型。顺式调控假说认为顺式调控序列进化是自然界丰富的动物表型进化的主要遗传机制。本文首先简述了顺式调控序列的结构和功能,然后重点讨论了近年来顺式调控序列进化调控果蝇表型进化如刚毛表型进化、色素沉积表型进化和胚胎发育方面的研究进展,阐释了顺式调控序列进化是动物表型进化的主要遗传机制之一。最后本文展望了顺式调控序列未来研究方向,例如应用功能基因组研究、开展ENCODE计划等,为进化发育生物学中顺式调控序列的研究提供了参考。     

生物技术在生防微生物遗传改良中的应用

生物技术在生防微生物遗传改良中的应用黄大昉（植物病虫害生物学国家重点实验室）８０年代中期以来,用于植物病虫害防治的生物技术的研究取得了一系列突破性进展,一跃成为农业与生命科学领域重要的发展前沿之一。近年来,杀虫防病遗传工程微生物的研究十分活跃,并先于抗病虫遗传工程植物进入了实用化阶段。这一发展显示出生物技术用于生防微生物遗传改良的巨大潜力。     

超突变细胞在进化工程中的开发与应用

通过进化工程技术改造微生物细胞的生理表型是生物技术和生物炼制领域的重要研究方向,但是现阶段的各种进化工程技术面临效率低或连续性差的问题。超突变细胞能够进行自发、连续的胞内诱变,将其应用于进化工程技术能够实现连续、高效的菌种改造。本文详细介绍了自然界中超突变细胞产生的遗传机制和相应的人工超突变细胞的构建策略,以及应用此类超突变系统在微生物细胞生理性能改造和蛋白质突变体文库高效构建上取得的进展。随着相关领域认识和技术的加强,未来人工超突变细胞的构建将继续向着不同维度上可控性、靶向性不断提高的方向发展,从而为细胞和蛋白的改造提供更强更优的进化动力。     

植物表型组学研究平台建设及技术应用

随着许多重要作物及植物全基因组测序的完成,科研人员对高通量、精准、无损伤获取植物表型信息的需求日益增加,功能完善的研究设施将成为推动表型组学发展的加速器。在此背景下,中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室于2017年初建设了植物表型组学研究平台(Plant Phenomics Analysis Platform, PPAP)。目前,该平台已建设成为国内采集分析植物表型信息相对较全面的研究设施之一,集成可见光成像、红外成像、近红外成像、根系近红外成像、荧光成像、叶绿素荧光成像、高光谱成像及激光雷达成像8个数据采集单元。在此基础上,该平台同时建立了根系表型采集分析技术、穗部性状采集分析及抗逆性状采集分析技术体系等。植物表型组学研究平台是公共服务平台,致力于为国内外从事植物研究的科研人员提供各类表型采集分析服务,包括但不限于地上部表型分析、根系表型可视化及分析等。     

分子生态学方法在微生物多样性研究中的应用

现代的核酸技术正在给生物学的研究带来新的革命,它使人们对于生命现象的研究更为深人,成为揭示生物科学规律的有力手段。自１９８５年Ｐａｔｅ等以核酸测序技术研究微生物的生态和进化问题以对］,对微生物多样性的研究进入了一个新阶段．以往对微生物的认识基于对微生物的培养和纯种分离技术,而在自然环境中的微生物９９．５％～９９．９％的种类至今尚是不可培养的［‘］,成为正确认识微生物生态系的严重障碍。分子生态技术的应用克服了培养技术的限制,对样品进行客观的分析,更精确地揭示微生物种类和遗传的多样性。因此,该技术与…     

微生物菌种改良的新方法新策略

自然分离得到的原始菌种远不能达到工业生产要求,通过菌种改良获得高产菌种是有效的手段。传统方法虽然无需了解过多遗传背景就能取得成效,但往往耗时费力。随着DNA重组技术、原生质体融合、组学研究的应用日益广泛,微生物菌种改良的新方法和新策略诸如代谢工程、基因组改组和系统生物技术、核糖体工程、表观遗传修饰等逐步发展起来。以下综述了近年来菌种改良相关领域方法和策略特别是首次报道的表观遗传修饰的最新进展。