基因组装技术在合成生物学中的应用

基因组装技术是合成生物学领域近年来发展起来的新型技术。它基于大规模基因组数据分析,发现新型的或隐藏的生物活性物质合成基因簇。利用基因组装技术,可提高或激活沉默的生物合成基因簇在微生物中的表达,从而合成潜在的、有价值的生物活性物质。本文旨在阐明最新的体内和体外基因组装技术的设计原理、关键策略及其应用。基因组装技术是合成生物学、代谢工程和功能基因组学研究的重要工具,对生物活性物质的高效生产及合成具有重要意义。     

基于三代测序的大秃马勃的rDNA ITS鉴定及其基因组生物信息学分析

【背景】马勃是著名的传统可食用药用真菌,具有多种药理作用,包括抗菌、抗炎、止咳、抗肿瘤和抑制细胞增殖等。目前关于马勃的研究多集中在活性物质的分离提取及其药理药效上,而对马勃基因组遗传信息知之甚少。【目的】获得马勃真菌的基因组遗传信息,挖掘潜在具有工业应用价值的功能基因。【方法】联合使用Illumina二代测序技术和PacBio三代测序技术进行基因组测序,并综合使用多种数据库进行基因组结构分析和基因注释,包括GO注释。基于基因组信息,使用rDNAITS序列进行马勃真菌物种鉴定,并使用dbCAN和antiSMASH进行碳水化合物活性酶和次级代谢物基因簇的鉴定。【结果】测序获得大小为46.04 Mb基因组,有11 903个蛋白编码基因,包括6 634个GO注释基因。基于基因组中的rDNA ITS序列信息将该菌鉴定为大秃马勃(Calvatia gigantea),分析了麦角甾醇和萜类合成相关基因25个,鉴定出317个碳水化合物酶和18个次级代谢物生物合成基因簇,并发掘出1个潜在的、可分泌的抗丹宁α-淀粉酶。【结论】获得一株马勃真菌基因组,并发掘出潜在的食品工业应用价值的抗丹宁α-淀粉酶和多个新的次级代谢物合成基因簇。这将为马勃真菌遗传进化、功能基因组学研究,以及其在食品工业应用和次级代谢物的药用价值开发提供重要的遗传信息基础。     

转录组测序及其在药用植物上的应用

RNA-Seq是一种新崛起的转录组学研究方法,新一代测序技术(NGS)能够更快速、更准确地为人们提供更多的生物体转录信息,已被广泛应用于医学研究、生物学研究、药物研发和临床研究等领域。药用植物转录组是现今研究药用植物基因组最活跃的领域之一,我们可从整体水平了解细胞中基因表达情况及其调控规律。对转录组的研究将有助于解决遗传育种和基因进化等诸多方面的问题。本综述简要介绍了转录组测序的原理,并从功能基因挖掘、SSR分子标记开发和代谢途径探索等3个方面综述了国内外近5年的转录组测序在药用植物上的应用进展,为药用植物的研究提供了更多基础数据。     

独行菜种子转录组的高通量测序及分析

独行菜种子为我国传统常用中药,从中已提取出多种药用活性成分,但目前尚不清楚其次级代谢过程中这些活性物质合成的遗传基础。采用Illumina Hiseq^TM 2000高通量测序平台对独行菜种子转录组进行测序,经de novo组装后获得40 303条unigene。进一步利用六大公共数据库进行同源比对,注释了27 935条unigene。研究发现,534个基因参与了独行菜次生物质的合成和代谢,其中在芥子苷、黄酮类和芪类化合物生物合成途径中的unigene分别有4个、19个和69个,在苯丙氨酸代谢途径中的unigene有92个。这些基因可能参与独行菜种子药性活性物质的生物合成,并分析获得了参与上述合成代谢途径的13个关键基因的同源序列。另外,从转录组序列中搜索到6 304个SSR位点,分布于5 306条unigene中,出现频率为15.64%。研究结果不仅为挖掘独行菜种子药用次生代谢物生物合成关键基因提供了基础数据信息,而且为独行菜遗传多样性研究和分子标记开发奠定了分子基础。     

金针菇基因组测序及萜类合成关键基因分析

金针菇是我国一种重要的食药用真菌,具有较高的营养和药用价值,尤其是从金针菇中分离得到了多种麦角甾醇、倍半萜等萜类,具有抗菌、抗肿瘤和降血脂等功效。以往关于金针菇的研究多集中在营养成分、栽培和市场开发等方面,而很少报道有关生物活性成分的合成和代谢研究。从福建省金针菇主要栽培品种中获得原生质体单核化L11菌株,我们进行了金针菇基因组测序与初步分析,并利用生物信息学手段,研究了其主要的生物活性成分——萜类合成途径中的关键基因。结果显示,金针菇单孢全基因组序列长度为34.75Mb。通过分析萜类合成途径中的相关基因,确定了4个萜类合成关键基因的基因结构,并且表明其蛋白结构具有稳定性,该类基因还含有多个信号肽和跨膜结构。金针菇基因组测序的完成,为下一步功能基因的筛选、分析等研究工作奠定了基础。     

基于金针菇全基因组的赖氨酸合成途径关键酶分析

【目的】以金针菇全基因组测序数据为基础研究其L-赖氨酸的从头合成途径及其关键基因。【方法】采用Illumina Hiseq2000和Roche454 FLX+两种方法完成金针菇单孢菌株Dan3的基因组测序,基于全基因组序列筛选金针菇中赖氨酸生物合成的关键基因,并分析这些基因编码的蛋白质基本理化性质;预测其亚细胞定位情况及蛋白的二级结构。【结果】金针菇Dan3全基因组序列长度为34.17 Mb,预测到8个参与α-氨基己二酸途径的关键基因,这些基因都含有多个内含子和外显子,二级结构主要由α-螺旋和无规则卷曲组成,有3个蛋白定位于线粒体。【结论】金针菇是通过α-氨基己二酸途径合成赖氨酸,基因组中预测到与该途径相关的几乎所有的酶。     

一株重寄生枝孢菌的基因组测序及重寄生机制分析

【背景】枝孢菌SYC63是一株具有重寄生作用和抗菌活性的潜在生防菌株,目前尚无研究报道该菌株的全基因组序列,因此限制了其开发与利用。对该菌株进行基因组测序与分析,将进一步了解其重寄生的分子机制,为其在生物防治上的应用奠定研究基础。【目的】解析枝孢菌SYC63基因组序列信息,初步探究该菌的重寄生作用机制。【方法】利用二代高通量测序平台对枝孢菌SYC63进行全基因组测序,运用相关软件对其测序数据进行基因组组装、基因功能注释、预测次级代谢产物合成基因簇并分析重寄生相关的碳水化合物酶类基因等。【结果】基因组组装后共得到17个contigs,总长度为31 912 211 bp,GC含量为52.80%,预测到12 327个编码基因。其中,4 029、949和6 595个基因分别能在KEGG、COG和GO数据库中被注释到,同时还预测到25个次级代谢产物合成基因簇。对重寄生机制相关的碳水化合物酶类进行分析并与重寄生菌株(拟盘多毛孢菌、木霉及盾壳霉)比较,发现该菌具有较多的糖苷水解酶和糖脂酶基因,而且细胞壁降解酶类基因经锈菌孢子壁处理后在转录组测序中显著上调表达,初步分析了该菌与重寄生木霉在分子水平上的...     

家鸡全基因组测序研究进展

鸡具有独特的生物学特性。全基因组测序是即对一种生物的基因组中的全部基因进行测序,主要包括de novo测序和全基因组重测序。近年来,由于测序技术的飞速发展,鸡全基因组研究取得了很多重要的进展,为解释鸡的生物学特性和缩短分子育种周期发挥了重要作用。重点阐述了不同品种鸡全基因组de novo测序的完成、全基因组重测序技术在解析品种遗传多样性、揭示进化机制、质量性状遗传机制广泛应用,讨论了鸡全基因组测序工作存在的问题及其展望,旨在为家鸡种质资源的改良和分子育种提供重要的参考资料。     

肌苷生产菌枯草芽孢杆菌ATCC 13952的全基因组测序及序列分析

摘要:【目的】枯草芽孢杆菌ATCC 13952是一株肌苷工业生产菌株。为深入研究ATCC 13952菌株积累肌苷的分子机制以及为进一步分子育种研究提供序列背景信息,有必要解析ATCC 13952菌株的基因组序列信息。【方法】本研究采用高通量测序和Sanger测序相结合对ATCC 13952菌株进行全基因组测序,然后使用相关软件对测序数据进行基因组组装、基因预测与功能注释、GO/COG 聚类分析、共线性分析等。【结果】枯草芽孢杆菌ATCC 13952整个基因组大小为3876276 bp,GC含量为45.8%,序列已提交至GenBank 数据库,登录号为CP009748。比较基因组及嘌呤代谢相关基因分析结果显示:枯草芽孢杆菌ATCC 13952与其他几株芽孢杆菌具有较好的基因组共线性关系,嘌呤代谢相关基因编码的蛋白与标准菌株比较发生了一些缺失和突变。【结论】本研究首次报道了一株肌苷生产菌枯草芽孢杆菌ATCC 13952的全基因组序列,分析了基因组基本特征,初步探讨了该菌株积累肌苷的分子机制,为后续的进一步分子育种提供了理论基础。     

保幼激素合成的研究进展

保幼激素 (juvenile hormone,JH) 是通过甲羟戊酸途径合成的一类倍半萜化合物。以昆虫中普遍存在的JH Ⅲ为例,从分子水平上概述了JH合成途径中的各种酶,并对其中的两个关键酶：羟甲基戊二酰辅酶A还原酶和保幼激素酸甲基转移酶作了详细介绍。还从家蚕基因组数据库(http://silkworm.genomics.org.cn)中推测出了JH合成途径中大部分酶的编码基因,初探了JH合成的调节机制,讨论了JH合成的研究趋势。     

微生物多糖合成关键基因挖掘的研究进展

随着分子生物学技术的快速发展,功能基因的挖掘在微生物高产多糖合成关键途径研究中变得越来越重要,不断发展的基因挖掘方法和基因组分析工具推进了研究的深入进行。本文主要综述了近年来报道的微生物多糖生物合成途径和多糖合成途径中的关键酶,以及利用多种技术手段和分析软件工具对多糖合成关键基因进行挖掘和验证的相关研究,为微生物多糖合成关键基因的验证以及微生物高产多糖菌株的制备提供参考。     

一株产低温蛋白酶地衣芽胞杆菌NWMCC0046全基因组测序及分析

地衣芽胞杆菌(Bacillus licheniformis)NWMCC0046是从西藏日喀则地区屠宰场废弃血污放置土壤中分离得到的一株益生菌,产生的碱性蛋白酶在低温下有作为洗涤剂添加酶的潜力。深入分析菌株NWMCC0046的基因组序列信息,并挖掘该菌株功能特性基因及潜在应用价值。使用PacBio RS II平台和Illumina HiSeq 4000平台对菌株NWMCC0046的基因组进行测序,并对测序数据进行基因组组装、基因预测与功能注释、共线性分析、进化分析及次级代谢产物合成基因簇预测。菌株NWMCC0046全基因组大小为4 321 565 bp,平均GC含量为46.78%,共编码4 504个基因。基因注释揭示了其益生菌特性,如胃肠道内独特的适应性、抗氧化活性和抗菌活性。此外,菌株NWMCC0046还编码工业上许多重要的酶。进化树及共线性结果表明,菌株NWMCC0046属地衣芽胞杆菌且与地衣芽胞杆菌ATCC 14580具有较好的共线性。同时,预测到菌株NWMCC0046中有11个次级代谢产物合成基因簇,编码地衣素、丰原素、杆菌肽和丁酰苷菌素等生物活性物质。基因组信息存储于GenBa...     

反向PCR方法克隆腾冲嗜酸两面菌的分子伴侣基因*

根据已知的Sulfolobus属的分子伴侣基因,设计简并引物,用PCR的方法从腾冲嗜酸两面菌(Acidianus tengchongensis)基因组DNA中分别克隆到了分子伴侣α亚基和β亚基的约500bp的基因片段。以它们为探针进行Southern杂交,确定了合适的限制性内切酶。以确定的限制性内切酶消化的基因组DNA环化物为模板,进行反向PCR反应,引物的延伸方向由已知序列出发沿环化分子向未知区域进行,扩增产物经测序表明为α亚基和β亚基基因。根据所得序列分别设计两对引物进行PCR,测序结果     

反向PCR方法克隆腾冲嗜酸两面菌的分子伴侣基因

根据已知的Sulfolobus属的分子伴侣基因,设计简并引物,用PCR的方法从腾冲嗜酸两面菌（Acidianus tengchongensis）基因组DNA中分别克隆到了分子伴侣α亚基和β亚基的约500bp的基因片段。以它们为探针进行Southern杂交,确定了合适的限制性内切酶。以确定的限制性内切酶消化的基因组DNA环化物为模板,进行反向PCR反应,引物的延伸方向由已知序列出发沿环化分子向未知区域进行,扩增产物经测序表明为α亚基和β亚基基因。根据所得序列分别设计两对引物进行PCR,测序结果表明得到了α亚基和β亚基的完整基因。     

珍稀药用植物铁皮石斛的组学及功能基因研究进展

铁皮石斛为兰科珍稀名贵药用植物,具有极高的医药保健和生态观赏价值。以"高通量、高精度、低成本"为特点的新一代测序技术平台,高效推动了铁皮石斛基因组和转录组等组学基础研究,有关铁皮石斛多糖和石斛碱积累、生长发育调控、环境适应性等机制逐渐获得了分子数据支持。该文综述了近年来铁皮石斛基因组、转录组、蛋白质组等组学以及功能基因等研究,内容涉及其非生物胁迫、多糖合成、种子萌发等过程,最后对当前铁皮石斛分子生物学研究进行了讨论。     

基于丹参基因组的COI1基因抗虫与次生代谢调控功能研究

本草基因组学极大地推动了药用植物分子育种、次生代谢网络调控和品质成因等研究的进程.本研究基于本草基因组学,从模式药用植物丹参(Salvia miltiorrhiza Bunge)基因组中克隆丹参COI1(SmCOI1)基因并初步分析其蛋白特征及表达模式.利用RNAi技术获得丹参COI1沉默株系(iCOI1).抗虫性检测结果显示,与对照相比iCOI1株系叶片损伤指数上升,对昆虫咬噬耐受性减弱;同时,抗性相关基因WKRY70和NPR1的表达量在iCOI1株系中显著降低.进一步检测iCOI1株系中主要次生代谢产物合成与积累情况,结果表明iCOI1株系中迷迭香酸、丹酚酸B、隐丹参酮及丹参酮ⅡA的含量较野生型显著降低,其生源合成途径中的关键酶基因C4H,RAS,HCT,HMGR,GGPPS,CPS,KSL,CYP76AH1的表达量较野生型显著下调,且与丹参COI1的沉默显著正相关.上述结果表明,丹参COI1基因参与调控丹参抗虫性及主要次生代谢产物合成和积累过程.本研究为丹参抗性研究和次生代谢过程调控提供理论依据,也为优质高产药用植物品种选育奠定了基础.     

UTH1基因破坏提高重组酿酒酵母分泌β-葡萄糖苷酶

异源蛋白质分泌效率低限制了重组酿酒酵母的多种药用蛋白和工业酶生产。挖掘促进蛋白质生物合成和分泌的关键基因,是提高异源蛋白质生产效率的重要手段。酿酒酵母细胞壁完整性影响异源蛋白质分泌,本研究利用基于CRISPR/Cas9的基因组编辑技术,破坏了重组酿酒酵母Y294-BGL1中参与细胞壁合成的未知功能基因UTH1,发现所获得的突变体胞外β-葡萄糖苷酶酶活比出发菌株提高112.9%,而细胞壁完整性下降。对促进产酶的分子机理进行探索,发现突变体产酶条件下与细胞壁完整性相关的关键基因和与蛋白质分泌途径相关的基因转录出现明显差异,提示UTH1基因破坏不仅影响细胞壁完整性关键基因的表达,也影响蛋白质分泌途径。本文的研究结果有助于深入理解UTH1的基因功能,并为构建异源蛋白质高分泌酵母菌株提供了借鉴。     

基因组分析揭示拟茎点霉XP-8产松脂醇及其糖苷等多种次级代谢产物的合成途径

【目的】通过解析拟茎点霉属XP-8的基因组序列信息,揭示该菌株潜在的代谢途径,并分析松脂醇及其糖苷化合物等次级代谢产物生物合成相关的关键基因。【方法】使用Illumina Hi Seq 2500高通量测序平台对拟茎点霉XP-8菌株进行全基因组测序,并通过不同软件对测序数据进行序列拼接,基因预测与功能注释。【结果】组装后的拟茎点霉XP-8基因组大小为55.2 Mb,GC含量53.5%,含有17094个蛋白编码基因和310个非编码基因。获得了松脂醇及其糖苷化合物等次级代谢产物生物合成相关的基因。系统发育分析揭示出拟茎点霉XP-8与5种子囊菌共有12635个同源基因和5626个基因家族。【结论】拟茎点霉XP-8具有用于合成松脂醇及其糖苷化合物等多种次级代谢物的基因组基础,为下一步的代谢工程改造提供依据。     

植物基因组测序的研究进展

近年来,随着测序技术的不断发展,基因组测序技术渐趋成熟并在动物和植物基因组上获得了越来越多的成功,大量植物的基因组的草图和精细图不断地被公布出来。比较和分析了三代测序技术各自的特点,对测序前的准备、基因组组装、注释和比较基因组学等方面的研究进展进行了详细的评述,阐明了植物基因组研究的特点和难点。通过植物的全基因组测序,研究者不仅可以获得该植物基因组和重要功能基因的序列信息,为从分子水平研究植物的分子进化、基因组成和基因调控等提供了一定的依据,而且还对即将测序的植物基因组研究具有重要的借鉴意义。     

荷花玉兰叶绿体全基因组高通量测序及结构解析

荷花玉兰是重要的药用、观赏及园林绿化植物.应用454高通量测序技术对荷花玉兰叶绿体全基因组进行测序,解析了其基因组结构,并与近缘物种基因组进行了比较分析.荷花玉兰叶绿体基因组全长为159623bp,两个反向互补重复区(IRs)长26563bp,被分隔的大单拷贝区(LSC)和小单拷贝区(SSC)长度分别为87757和18740bp.成功注释129个叶绿体基因,其中18个基因含有内含子.基因的种类、数目以及GC含量等与其他木兰科物种相类似.生物信息学分析获得218个SSR位点,大多位点富含A-T,具有碱基偏好性.木兰科物种的重复基序类型和丰度相对保守,有利于开发叶绿体基因组载体.木兰亚纲植物叶绿体基因组的大小及IR区边界的变化与ycf1的长度密切相关.采用30个物种叶绿体基因组的66个共有蛋白编码基因构建系统发育树,对木兰属在被子植物中的进化位置进行了探讨.荷花玉兰叶绿体全基因组序列的获得和结构解析对优良品种培育、叶绿体基因组工程、木兰科物种分子标记开发及系统发育关系的研究具有重要价值.