基于比较基因组学揭示不同植物乳杆菌的遗传特征及菌株差异——以Lactobacillus plantarum P9和Lp-6研究为例

[目的]植物乳杆菌(Lactbacillus plantarum,L.plantarum)在食品、医药和动物养殖等多个领域均有应用。本文以L.plantarum P9和Lp-6为例,解析L.plantarum遗传背景和基因组特征,为其鉴定和开发奠定基础。[方法]本研究采用PacBio SMRT测序技术完成了L.plantarum P9和Lp-6全基因组测序,结合已公开的110株L.plantarum全基因组数据和1株模式菌株ATCC 14917T数据,通过比较基因组学方法探究L.plantarum基因组的差异。[结果]L.plantarum P9和Lp-6基因组大小分别为3314.1和3482.5 kb,GC含量(%)分别为44.38%和44.32%,二者分别含有8个和9个质粒。113株L.plantarum系统发育树结果显示,L.plantarum P9与L.plantarum ATCC 14917T遗传距离更近,L.plantarum Lp-6更接近祖先群体分支。与L.plantarum WCSF1相比,含有xerS等基因的22.0 kb基因组片段在L.planarum Lp-6上发生了倒位,在L.plantarum P9基因组中缺失;L.plantarum Lp-6染色体插入含tagF等基因的13.0 kb片段;包含gpmA等基因的14.4 kb基因片段插入到L.plantarum P9染色体中。[结论]通过比较基因组学方法解析L.plantarum P9和Lp-6遗传信息,发现不同L.plan tarum菌株的遗传特征存在差异。     

副干酪乳杆菌PC-01全基因组测序及不同副干酪乳杆菌菌株比较基因组学分析

【背景】副干酪乳杆菌(Lactobacillus paracasei)作为乳酸菌中重要菌种之一,常被认为是优良益生菌开发的潜在资源。【目的】以L.paracasei PC-01和L.paracasei Zhang为例,分析不同L.paracasei的基因组差异和遗传背景,为菌株的鉴定和开发奠定基础。【方法】采用PacBioSMRT三代测序技术对L.paracasei PC-01进行全基因组测序,结合2株L.paracasei模式菌株和公开的36株全基因组数据,通过比较基因组学方法揭示39株L.paracasei菌株之间的差异。【结果】L.paracasei PC-01基因组不包含质粒,染色体大小为2 829 251 bp,GC含量为46.64%;L.paracasei Zhang包含一个质粒基因组大小为2 898 456 bp,GC含量为46.51%;不同L.paracasei菌株基因组大小、质粒数及GC含量均存在一定差异。L.paracasei群体为开放式基因组,基因组具有高度多样性。基于核心基因构建系统发育树对于L.paracasei种内区分效果最好,L.paracasei PC-...     

不同分离源植物乳杆菌的群体基因组分析

【背景】植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)广泛存在于植物、乳制品、肉制品、哺乳动物和昆虫的肠道等多种生态环境中。【目的】探究不同分离源L. plantarum基因组与其所在环境是否存在潜在的联系。【方法】利用比较基因组学对126株分离自植物、乳制品、肉制品、果蝇及哺乳动物肠道和口腔等部位的L. plantarum菌株基因组进行系统发育分析和功能基因组分析,解析不同分离源菌株间的亲缘关系和进化历程。【结果】果蝇分离株的基因组大小显著高于植物、哺乳动物肠道、肉制品和乳制品分离株(P0.05),植物和哺乳动物肠道、口腔等部位与肉制品分离株的基因组大小和编码基因数量无显著差异(P0.05)。基于单拷贝基因串联和核心基因系统发育树分析均发现,果蝇分离株和乳制品分离株分别集中聚集分布在某一分支中,其余分离源均匀分布在各个分支中。附属基因分析结果与系统发育树分析结果一致。功能基因注释结果发现,果蝇分离株的环境特异性基因参与低聚果糖和几丁质代谢,乳制品分离株的环境特异性基因参与mazEF毒素-抗毒素系统和CRISPR系统。【结论】植物乳杆菌分离株为适应较为独特的果蝇和乳制品生境而发生了适应性进化。本研究为植物乳杆菌适应性进化提供了新见解,同时为解析菌株的进化历程提供了理论基础。     

母乳源乳双歧杆菌Probio-M8的遗传特征及基因组差异比较分析

【目的】母乳源乳双歧杆菌（Bifidobacterium animalis subsp. lactis） Probio-M8具有优良的益生特性,本文拟从全基因组水平解析Probio-M8的遗传特征,并与已有益生功效的乳双歧杆菌的基因组进行比较分析。【方法】本研究基于NCBI已公开的21株乳双歧杆菌和1株模式菌株DSM10140^T的基因组数据,构建了核心基因集与泛基因集,解析该群体的系统发育关系,比较分析Probio-M8的遗传特征及功能基因组。【结果】22株乳双歧杆菌的泛基因集包含1 618个基因,其中核心基因1 514个,占泛基因集的93.57%,表明乳双歧杆菌核心基因集高度保守。以1 514个核心基因构建系统发育树,发现22株乳双歧杆菌分为两个分支,AD011单独为一个分支,Probio-M8和其他菌株与模式菌株DSM10140^T聚在同一分支,且Probio-M8与V9、BB-12、Bi-07、HN019的遗传距离极为接近。进一步分析耐药基因和毒力基因,在Probio-M8与V9、BB-12、Bi-07、HN019基因组上均检测到DfrA...     

全基因组测序揭示两株泡菜源植物乳杆菌基因型差异和潜在益生特性北大核心

【目的】为了探究植物乳杆菌(Lactiplantibacillus plantarum)基因型差异和潜在益生特性,采用全基因组测序技术对其进行测序并解析基因组序列及生物特性。【方法】本研究基于HiSeq和PacBio测序平台,对团队前期从四川多代泡菜中分离获得、体外益生特性评价良好的潜在益生菌菌株L.plantarum Eden-Star PC06和L.plantarum Eden-Star PC108的全基因组进行测序。利用相关生物信息学软件对原始数据进行组装及其后续的功能注释、分子进化、菌株安全性、次级代谢产物合成基因簇以及益生特性相关基因进行分析。【结果】通过基因组装得到了2株植物乳杆菌的全基因组信息,L.plantarum Eden-Star PC06和Eden-Star PC108基因组大小分别为3163902 bp和3205054 bp;GC含量分别为44.68%和44.67%;分别包含3161个和3197个DNA编码序列;功能基因数据库比对结果显示2株菌在碳水化合物利用、氨基酸利用和糖基转移酶等基因上得到大量注释;通过比对数据库,在2株植物乳杆菌全基因组上发现了4个与肠液耐受相关的胆盐水解酶基因、完整的植物乳杆菌细菌素合成相关基因簇和抵御多种胁迫的益生相关基因。【结论】本研究通过全基因组测序在基因水平上探究了L.plantarum Eden-Star PC06和Eden-Star PC108基因型差异和益生特性基因,证明L.plantarum Eden-Star PC06和Eden-Star PC108是2株有应用前景的益生菌菌株,以期为筛选优良益生菌菌株和评价其益生特性提供遗传学基础。     

比较基因组学分析不同来源罗伊氏乳杆菌基因多样性及生境适应性

【目的】研究34株不同来源罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)基因多样性及生境适应性机制,了解该菌株在肠外生境及肠内生境中适应性的异同,为L. reuteri优良菌株的开发提供理论基础。【方法】基于二代测序平台对11株源于发酵食品(酸马奶、酸粥)的L. reuteri进行测序,并应用比较基因组学将其与发酵食品、酸面团、食草动物L. reuteri分离株基因组进行比较分析。【结果】分离自酸马奶、酸粥L. reuteri基因组大小平均为2.14 Mb,GC含量平均为38.77%,且同种来源分离株系统发育关系距离较近。泛-核心基因集分别包含7242个、969个基因家族,其中酸马奶分离株特异性基因最多为459个。功能注释结果显示不同来源菌株碳水化合物、氨基酸相关基因数量及种类差异较大,仅在发酵食品和食草动物株中发现抗生素耐药性基因。注释到的碳水化合物活性酶中仅出现在发酵食品与食草动物分离株的为GH3 (β-葡萄糖苷酶等)和GH43 (β-木糖苷酶等),特有的分别为AA3 (纤维二糖脱氢酶等)和GH66 (葡萄糖转移酶等)。【结论】不同来源L. reuteri具有广泛的基因...     

两株母乳源植物乳杆菌的全基因组测序分析

【背景】母乳是一个重要的益生菌筛选库,其中植物乳杆菌是一种用途广泛、适应性强的益生菌。然而不同菌株具有不同的功能,现有的生理生化方法对其潜在益生特性研究十分有限,有必要采用高通量的方法寻找具有种群特异性的优质益生菌。【目的】结合菌株生化特征在全基因组的测序与分析的基础上对两株植物乳杆菌的潜在功能进行预测,并重点找寻与肠液耐受性及细菌素的合成相关的基因,即在基因组的结构上对菌株的表型进行探究。【方法】分离筛选出两株母乳源植物乳杆菌MP55、MP37,并利用Illumina genome analyzer对菌株的全基因组进行测序,采用Prokka软件对细菌基因组进行注释,采用Carbohydrate-active enzymes (CAZy)、Koyto encyclopedia of genes and genomes(KEGG)和Clusters of orthologous genes(COG)数据库对基因组进行功能注释;同时采用Prodigal、RNAmmer等工具对编码序列、核糖体RNA进行预测,并用CGView软件绘制菌株的基因组环形图谱。【结果】通过基因组装得到了两株植物乳杆菌的全基因组信息,植物乳杆菌MP37、MP55基因组大小分别为3 204 421 bp和3 299 180 bp;(G+C)mol%含量分别为44.36%和44.46%;分别包含3 012个和3 101个DNA编码序列,结合菌株生化特征在基因组上找到4个与肠液耐受相关的基因及一段细菌素合成相关基因簇。基因组序列原始数据和拼接结果已提交至"gcMeta"平台。【结论】通过高通量测序分析在基因组水平上揭示了植物乳杆菌MP55、MP37在肠道存活性与抑制病原菌相关的可能机理。植物乳杆菌MP55、MP37是两株潜在的益生菌候选菌株,实验结果为进一步阐明其益生菌特性的功能机制提供了遗传学基础。     

植物乳植杆菌P-8连续传代过程中遗传稳定性分析

【背景】植物乳植杆菌(Lactiplantibacillus plantarum) P-8是一株具有优良益生特性的乳酸菌,探究其短期连续传代过程中的遗传稳定性对评估其加工生产的稳定性有着重要的指导作用。【目的】研究植物乳植杆菌P-8在37℃恒温环境下、MRS培养基中连续传代100代过程中的遗传稳定性。【方法】在MRS培养基、37℃恒温环境下将植物乳植杆菌P-8连续传代100代,测定不同代菌株(第0、25、50、75和100代)的菌体形态和碳水化合物利用能力,并利用二代、三代测序相结合的技术完成不同代菌株全基因组测序,通过比较基因组学综合分析其在连续传代100代过程中的遗传稳定性。【结果】植物乳植杆菌P-8在连续培养100代过程中,其菌体形态和碳水化合物利用能力均无明显变化。以植物乳植杆菌P-8的原始菌株基因组作为参考,比较分析了不同代菌株的基因组稳定性,发现菌株均有单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)位点存在,但数量较少(SNP位点<21个)。不同代菌株基因组共线性良好,具有极高的相似性,且不同代菌株碳水化合物活性酶注释结果无显...     

人肠源植物乳杆菌PUM1785全基因组测序分析与功能挖掘

植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）PUM1785是从潜在多重耐药患者的新鲜粪便标本中分离得到的1株具有良好生物学活性的乳酸菌,为了进一步研究其生物学特性和功能,对其进行全基因组测序并解析基因组序列信息及功能。利用Illumina HiSeq平台对植物乳杆菌PUM1785进行全基因组测序,利用相关生物信息学软件对原始数据进行组装及其后续的功能注释、次级代谢产物合成基因簇、致病性及分子进化分析。植物乳杆菌PUM1785基因组全长3 128 032 bp,GC含量44.56%;基因组特征显示其具有高碳水化合物代谢能力以及强抑菌和耐受活性,毒力因子主要表现为黏附和抵抗宿主免疫防御系统作用,属无致病性的毒力减弱型菌株。植物乳杆菌PUM1785能够黏附于宿主细胞,产生抗性蛋白和毒力因子,保护自身不受机体免疫防御的清除和破坏,能够在肠道内稳定定殖,适合作为微生态制剂或功能性食品生产菌株。     

短乳杆菌与植物乳杆菌的发酵特性

【背景】目前对于酸菜发酵的研究主要关注点是植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum),有关短乳杆菌(Lactobacillus brevis)在酸菜方面的研究报道很少。【目的】为了挖掘短乳杆菌的发酵性能并开发酸菜发酵剂,将2株短乳杆菌分别与1株植物乳杆菌进行组合并发酵酸菜,分析短乳杆菌对酸菜发酵品质的影响。【方法】分别测定短乳杆菌与植物乳杆菌的单菌株生长产酸性能、耐酸性及亚硝酸盐降解力,并将两菌种组合后发酵酸菜,分析1-7d内酸度、乳酸菌活菌数、亚硝酸盐含量及酸菜质构特性的变化趋势。【结果】相较于短乳杆菌Lb-9-2,短乳杆菌Lb-5-3的生长和产酸速率较慢、酸耐受力较弱,但其亚硝酸盐降解力较强。两株短乳杆菌分别与植物乳杆菌Lp-9-1组合后产酸力显著增强,并在3 d时达到最低pH值(约3.10);植物乳杆菌Lp-9-1的添加使酸菜中总体乳酸菌生长延迟,在5 d时达到最高活菌数;组合菌种的样品中亚硝酸盐含量在1-7 d内变化较为平缓,前5天内两个组合之间差异不显著;接种乳酸菌会降低酸菜硬度和弹性,发酵3d时Lb-5-3/Lp-9-1组合的硬度最大,感官评价得分最高。【...     

植物乳杆菌培养上清对不同血清型沙门氏菌的抑制效果及作用机理

【目的】探究植物乳杆菌培养上清(Lactobacillus plantarum culture supernatant,LPC)对3种血清型沙门氏菌猪霍乱(Salmonella cholerae,SC)、肠炎(Salmonella enteritidis,SE)和鸡白痢(Salmonella pullorum, SP)的生长和致病性的抑制作用效果及机理。【方法】将2%LPC与3种沙门氏菌分别共培养后,采用比浊法及牛津杯抑菌圈试验检测沙门氏菌生长情况及LPC中的主要抑菌物质,使用实时荧光定量PCR (quantitative real-time polymerase chain reaction, qRT-PCR)探究沙门氏菌致病性相关基因表达水平,最后通过结晶紫染色法检测沙门氏菌的生物被膜。【结果】2%LPC能够显著抑制3种沙门氏菌的生长,其作用效果与庆大霉素(gentamicin, GM)相近且对SE的生长抑制效果优于GM,其主要抑菌物质为有机酸;2%LPC对3株沙门氏菌SPI-1编码的主要毒力基因(InvA、InvF、SopE、SopB、SipB、HilA和SipA)、SPI-2毒...     

植物乳酸杆菌对小鼠草酸钙结石的干预效果

【背景】草酸钙结石是一种临床常见且易复发的疾病,由于结石质地坚硬,只能通过外科手术的方法治疗,给患者带了很大的痛苦。已有研究证实,肠道菌群可影响草酸钙结石的形成,降低草酸钙结石的发病率。【目的】探究植物乳杆菌对小鼠草酸钙结石的干预效果。【方法】体外实验：在MRS培养基中加入0.02 mol/L草酸钠,制备菌株筛选培养基（MRS-OX）。接种200μL的3.48×10¹²CFU/L植物乳杆菌悬液至MRS-OX制备含菌培养基（B+MRS-OX）。将等体积MRS-OX和B+MRS-OX于37°C恒温培养2 d,测剩余草酸浓度。体内实验：以10周龄雄性昆明小鼠为实验动物,随机分为对照组、植物乳杆菌组、结石组和植物乳杆菌干预组,每组5只小鼠。通过乙醛酸诱导小鼠建立草酸钙结石模型,并给予200μL的3.48×10¹²CFU/L植物乳杆菌进行干预治疗以观察其预防小鼠草酸钙结石的效果。实验结束后,绘制各组小鼠平均体重变化趋势图并计算小鼠肾脏脏器指数,检测每只小鼠血液学指标和氧化应激指标总超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）和丙二...     

灌喂植物乳杆菌和干酪乳杆菌增加仔猪肠道菌群多样性及短链脂肪酸生成

【目的】研究断奶前给仔猪饲喂植物乳杆菌和干酪乳杆菌对断奶前、后肠道菌群组成、数量和短链脂肪酸(SCFA)浓度的影响,分析仔猪生长性能与肠道形态、微生物菌群及SCFAs的相关性,探讨测试菌株缓解仔猪断奶应激的可能机制。【方法】选取15窝7 d龄杜长大仔猪,随机分为3组,分别灌喂2 mL去离子水(对照组)、0.5×10~9 CFU/mL植物乳杆菌(LP组)或干酪乳杆菌(LC组)的菌液,每组以窝为单位5个重复,于21 d(断奶)、24 d和35 d屠宰,采集回肠和结肠食糜,分析菌群组成和数量的变化,测定SCFAs浓度。【结果】测试菌株均能显著提高断奶2周后回肠、结肠菌群多样性(P0.05),促进乳酸杆菌和双歧杆菌增殖;显著促进断奶前回肠和结肠中乙酸、丙酸、丁酸和总SCFA生成,促进断奶后乙酸和总SCFA产生;相关分析显示,测试菌株组仔猪腹泻率下降与SCFAs浓度上升、回肠绒毛高度增加和总菌数量上升显著相关,日增重提高与结肠乙酸和TSCFA浓度增加显著相关。【结论】测试菌株促进乳酸杆菌、双歧杆菌等有益菌增殖,增加肠道菌群多样性,促进肠道SCFAs生成。     

仿刺参(Apostichopus japonicus)肠道源植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum) HY21的生长及益生特性分析

【目的】在仿刺参(Apostichopus japonicus)健康养殖中为了寻找具有良好耐受性、益生性、安全性的益生菌,本研究从仿刺参肠道内容物中分离获得一株植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum) HY21,对其益生潜能进行评价。【方法】利用摇瓶发酵培养、应用环境因子模拟试验、抗生素药敏测试等方法,分析L. plantarum HY21的生长特性、产酸性能、发酵液的抗氧化性质和对水产致病菌的抑制作用;检测菌体的疏水性、自聚性和共聚性、黏附力和药物敏感性,以及对应用环境因子的耐受性。【结果】L. plantarum HY21摇瓶发酵培养温度30℃、初始pH 8.0,于2-10 h为对数生长期,发酵18 h后pH达到最低3.6;发酵液对溶藻弧菌的抑菌直径达到(13.96±0.30) mm,对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-trinitrophenylhydrazine, DPPH)自由基清除率达到95.45%±1.56%;L. plantarum HY21的疏水率为60.42%±2.78%、自聚率为22.69%±1.36%,与溶藻弧菌共聚率为27.98%±1.45%;对体表和肠道黏液蛋白的黏附量分别达到(1.66±0.01)×10⁶ CFU/mL和(1.23±0.15)×10⁶ CFU/mL;对13种常见的抗菌药物均表现敏感;菌体在模拟胃肠液(pH 3.0, pH 6.8)中孵育3 h存活率均可达99%以上,在10%鱼胆汁溶液中孵育3 h存活率达到68.11%±7.98%,在3%海盐溶液中孵育16 h存活率达到97.58%±7.14%。【结论】L. plantarum HY21具有良好的定殖作用、抑菌作用、抗氧化作用等益生特性,而且在应用环境中具有高存活率和高安全性,可以作为一株新的水产益生菌,为开发水产益生菌制剂提供科学理论依据。     

植物乳杆菌天然质粒系统进化和起源

【目的】为了探索植物乳杆菌天然质粒系统进化关系和起源。【方法】本文利用复制起始蛋白(replication initiation protein,Rep)系统进化树、基因组共线性、基因组GC含量和宿主范围分析方法,对植物乳杆菌75个天然质粒的系统进化关系和起源进行了详细和多角度的分析。【结果】首先,Rep系统进化树和基因组共线性分析结果均表明,植物乳杆菌所有天然质粒可以划分为6个进化关系亲密的家族、2个进化形态特殊的杂合质粒和1个独立进化质粒pLP2140。杂合质粒pMRI5.2、pLP12-1分别由家族1-2和5-6质粒融合形成,因此植物乳杆菌质粒可能起源于7个祖先。其次,基因组共线性分析可以将6个家族质粒进一步划分为17个进化关系更近的亚家族类群,并清晰、有效地揭示类群内质粒之间的系统进化关系。最后,基因组GC含量和宿主范围分析为植物乳杆菌质粒的系统进化关系和起源提供了进一步的证据。【结论】因此上述研究可以准确、有效地揭示植物乳杆菌天然质粒的系统进化关系和起源,这对植物乳杆菌天然质粒系统进化和起源的了解和研究具有重要的参考价值。通过Rep系统进化树和基因组共线性两种分析方法优缺点的比较和组合,我们提出了一种更加有效的研究思路和分析方法,同时这种方法很可能适用于所有细菌天然质粒,因此对于天然质粒进化和起源研究具有普遍的方法学意义。