基于比较基因组学分析嗜热链球菌的遗传多样性和防御系统

【目的】嗜热链球菌(Streptococcusthermophilus)是发酵乳制品的基础发酵菌种之一,全基因组水平解析嗜热链球菌的遗传多样性和工业发酵特性对于优良发酵菌株的筛选意义重大。【方法】本研究通过比较基因组学方法对27株嗜热链球菌的遗传多样性和防御系统进行分析。【结果】全基因组分析结果显示嗜热链球菌群体内具有较高的遗传多样性;基于核心基因集构建的系统发育树划分为2个分支,其中分支2菌株缺乏完整的组氨酸合成途径,经验证,分支2菌株在缺乏组氨酸的培养基中不能正常生长。通过对嗜热链球菌不同菌株的防御系统进行分析发现,同类型的CRISPR基因座和限制修饰系统在基因组中出现的位置相对固定。CRISPR-Cas系统(P<0.05,r=0.43)和限制修饰系统(P<0.01,r=–0.59)的数量与编码转座酶基因的数量均显著相关,表明嗜热链球菌为了阻止外源DNA入侵会进化出多种防御系统来保护自身遗传完整性。此外,分支1菌株的CRISPR-Cas系统数量极显著(P<0.001)多于分支2,而限制修饰系统无显著差异,表明分支1菌株在噬菌体抗性方面可能更具优势。【结论】本研究基...     

基于内源III-B型CRISPR-Cas系统构建超嗜热火球菌Pyrococcus yayanosii A1的基因敲降系统

【目的】亚氏火球菌(Pyrococcusyayanosii)A1菌株的最适生长温度为98°C,最适生长压力为5.2×104Pa,是研究此类严格厌氧、超嗜热和兼性嗜压古菌的环境适应性机制的良好材料。本研究基于P. yayanosii A1基因组中III-B型CRISPR-Cas系统,旨在建立可应用于此类古菌的基因表达敲降系统(geneknock-downsystem)。【方法】人工构建的mini-CRISPR簇,由内源性CRISPR簇Group1的重复序列(repeats)和待敲降的淀粉酶基因(PYCH_13690)中的原间隔序列(protospacer)组成。将该mini-CRISPR簇插入到具有辛伐他汀抗性的穿梭载体p LMOShhp中,使之转录与目的基因m RNA匹配的cr RNA,引导Cmr复合物对其进行切割。【结果】使用高静水压(HHP)诱导型启动子Phhp诱导mini-CRISPR簇表达时,淀粉酶基因的m RNA数量在5.2×104Pa静水压时下调到原来的67.05%,在1.0×102Pa静水压时下调为原来的49.69%;而使用组成型启动子Phmtb诱导mini-CRISPR簇表达时,淀粉酶基因的m RNA数量在5.2×104Pa静水压时下调为原来的58.48%,在1.0×102Pa静水压时下调为原来的23.97%。使用鲁戈氏碘液显色法对这两类基因表达敲降突变菌株的培养物中残留的淀粉含量进行分析,结果显示突变菌株的淀粉降解能力明显降低。【结论】在P. yayanosii A1中建立了基于内源Ⅲ-B型CRISPR-Cas系统的基因敲降系统,可以用于抑制此类超嗜热嗜压古菌体内基因的表达。     

创伤弧菌TF3全基因组包含的CRISPR-Cas系统及MGIVvuTF3基因岛分析

【目的】分析创伤弧菌(Vibrio vulnificus)全基因组框架序列,挖掘感兴趣的遗传位点,探索其是否具有CRISPR系统及其特征。【方法】在病虾体内分离获得了一株创伤弧菌TF3,通过Illumina Miseq测序得到基因组框架序列。经注释分析发现其基因组中存在一个CRISPR-Cas系统,命名为CRISPR-CasTF3,进一步分析发现CRISPR-CasTF3位于一个基因岛上,将该基因岛命名为MGIVvu TF3。对CRISPR-CasTF3及MGIVvu TF3的特征和来源进行了分析。【结果】CRISPR-CasTF3属于与大肠杆菌类似的Ι-E型CRISPR-Cas系统,CRISPR-CasTF3包括8个cas基因,其排列为cas3-cas8e-cse2-cas6-cas7-cas5-cas1-cas2;具有50个重复序列,每二个重复序列间为一个Spacer序列。MGIVvu TF3具有att L和att R序列,含有位点特异性整合、剪切、转移相关的基因。MGIVvu TF3与霍乱弧菌O395基因组中的一个基因岛MGIVch0395具较高相似性,二者最显著的差别在于Spacer序列完全不同,以及各有几个非保守的预测基因。【结论】MGIVvu TF3及CRISPR-CasTF3极有可能通过基因水平转移获得,并且CRISPR-CasTF3系统可以借助MGIVvu TF3实现水平转移。     

极端酸性矿山环境微生物基于CRISPR系统的适应性免疫机制

【目的】通过对酸性矿山环境中嗜酸硫杆菌属(Acidithiobacillus)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、钩端螺旋菌属(Leptospirillum)、硫化杆菌属(Sulfobacillus)、酸原体属(Acidiplasma)和铁质菌属(Ferroplasma)的100株冶金微生物基因组中CRISPR-Cas系统的结构特征和同源关系进行生物信息学分析,在基因组水平上解析冶金微生物基于CRISPR系统对极端环境的适应性免疫机制。【方法】从NCBI网站下载基因组序列,采用CRISPR Finder定位基因组中潜在的CRISPR簇。分析CRISPR系统的组成结构与功能:利用Clustal Omega对重复序列(repeat)分类;将间隔序列(spacer)分别与nr数据库、质粒数据库和病毒数据库比对,获得注释信息;根据Cas蛋白的种类和同源性对酸性矿山环境微生物的CRISPR-Cas系统分型。【结果】在100株冶金微生物基因组中共鉴定出415个CRISPR簇,在176个c CRISPR簇中共有80种不同的重复序列和4147条间隔序列。对重复序列分类,发现12类重复序列均能形成典型的RNA二级结构,Cluster10中的重复序列在冶金微生物中最具有代表性。间隔序列注释结果表明,这些微生物曾遭受来自细菌质粒与病毒的攻击,并通过不同的防御机制抵抗外源核酸序列的入侵。冶金微生物细菌的大部分CRISPR-Cas系统属于I-C和I-E亚类型,而古菌的CRISPR-Cas系统多为I-D亚类型,两者基于CRISPR-Cas系统的进化过程中存在显著差异。【结论】酸性矿山环境微生物的CRISPR结构可能采用不同免疫机制介导外源核酸序列与Cas蛋白的相互作用,为进一步揭示极端环境微生物的适应性进化机理奠定了基础。     

CRISPR-Cas9系统与mazF介导的大片段删减法在酿酒酵母染色体大片段删减中的比较

【目的】比较CRISPR-Cas9系统与maz F法这两种酿酒酵母染色体大片段删减方法。【方法】分别用上述两种方法删减了酿酒酵母长度为26.5 kb的染色体大片段YKL072W-YKL061W,并比较了两种方法的转化效率、敲除成功率。【结果】利用CRISPR-Cas9系统平均得到5个转化子,但正确率为100%;maz F法得到约100个转化子,正确率略低于前者,为93%。【结论】两种方法均能高效删减酿酒酵母染色体大片段,CRISPR-Cas9系统正确率较高,操作简便省时;maz F法相对稳定,对目的基因无PAM位点要求。     

响应面法优化嗜热链球菌AR333电转化条件

【背景】嗜热链球菌AR333是本实验室从发酵乳中筛选出的一株高产活性胞外多糖乳酸菌。【目的】建立嗜热链球菌AR333高效电转化体系。【方法】通过单因素试验和Box-Behnken响应面法优化电转化条件。【结果】嗜热链球菌AR333最优电转化条件为甘氨酸浓度8.3g/L,OD_(600)为0.8,10%甘油(体积比)和0.5 mol/L蔗糖的电转缓冲液,pIB184质粒80 ng,电场强度14 kV/cm,0.4 mol/L山梨醇、2 mmol/L CaCl_2和20 mmol/L MgCl_2的LM17复苏培养基,复苏时间5 h。【结论】在最优电转化条件下,嗜热链球菌AR333电转化效率达到3.68×10~5 CFU/μg-DNA,比优化前提高了14倍,实现了嗜热链球菌AR333的高效遗传转化,为其功能解析和基因工程改造奠定基础。     

基于CRISPR-Cas9技术构建橡胶树胶孢炭疽菌的基因敲除系统

[背景]CRISPR-Cas9基因组编辑技术为病原真菌的基因敲除、敲入及定点编辑提供了新的思路。[目的]建立适用于橡胶树胶孢炭疽菌的CRISPR-Cas9基因敲除系统。[方法]通过大肠杆菌原核表达系统合成含有细胞核定位信号的Cas9蛋白;以URA5为靶标基因,预测该基因中Cas9的切割位点,并在体外转录合成相应的SgRNA;体外构建Cas9-SgRNA复合体,并将该复合体转入橡胶树胶孢炭疽菌原生质体;通过表型筛选及测序鉴定,筛选URA5的敲除突变体菌株。[结果]体外表达的Cas9蛋白与SgRNA能够形成复合体,并在体外对目标基因URA5的DNA序列进行切割;Cas9-SgRNA复合体能够成功转入橡胶树胶孢炭疽菌原生质体,并完成对URA5的敲除;敲除突变株表现出尿嘧啶缺陷表现型。[结论]建立了适用于橡胶树胶孢炭疽菌的基因敲除系统。     

嗜热链球菌IMAU20246胞外多糖基因簇及其表达分析北大核心

【目的】嗜热链球菌IMAU20246是一株具有良好发酵特性且高产胞外多糖(exopolysaccharides,EPS)的菌株,但其EPS基因簇及合成途径尚不清晰。因此可通过全基因组测序及生物信息学分析菌株基因组序列,探究EPS合成及调控机制。【方法】本实验对嗜热链球菌IMAU20246进行全基因组测序并进行生物信息学分析,解析EPS生物合成相关基因簇及EPS合成途径,同时采用实时荧光定量PCR技术(quantitative real-time PCR,qRT-PCR)对其不同时间点EPS基因簇的表达进行定量分析。【结果】嗜热链球菌IMAU20246基因组中有一个18.1 kb的EPS生物合成基因簇,编码15个与EPS生物合成相关的基因。嗜热链球菌IMAU20246通过转运葡萄糖、甘露糖、果糖、半乳糖、乳糖、海藻糖、纤维二糖及蔗糖合成UDP-葡萄糖、dTDP-葡萄糖、dTDP-鼠李糖、UDP-半乳糖、UDP-呋喃半乳糖、UDP-N-乙酰葡萄糖胺和UDP-N-乙酰半乳糖胺等7种糖核苷酸。qRT-PCR的结果表明,EPS基因簇中的基因在细胞生长阶段均能表达,特别是糖基转移酶基因epsE、epsF、epsH和epsJ在培养6 h时表达量最高,此时EPS产量达到最高。【结论】本研究从基因组解析了嗜热链球菌IMAU20246 EPS基因簇及其合成途径,为菌株的进一步开发提供了理论依据。     

双歧杆菌中CRISPRCas系统生物信息学分析

目的加深对双歧杆菌中CRISPRCas系统结构特征与作用机制的认识,为基于内源性CRISPRCas系统构建基因编辑工具提供基础。方法以实验室保存的39株双歧杆菌为研究对象,找出基因组中的CRISPR簇与cas基因,并对各分型系统中CRISPR的repeat序列保守性、spacer分布特征和某些Cas蛋白序列进行生物信息学分析。结果39株双歧杆菌中含CRISPR菌株的比例为61.5%(24/39),相同分型系统的repeat序列有保守的回文重复序列,II型系统的tracrRNA可结合crRNA形成保守的结构,菌株内spacer重复分布发生较常见且类型多样,菌株间Cas1的序列同源性与系统分型相关而与种属无关,IIA型与IIC型系统的Cas9结构域构成差异明显。结论双歧杆菌中含CRISPRCas系统的菌株的比例较高,CRISPR序列重组比较活跃,在构建可移动基因编辑工具方面双歧杆菌内源性IIC型系统具有优势。     

乳酸乳球菌KLDS4.0325的糖代谢过程及乳酸生物合成途径的比较

【目的】为了探究乳酸乳球菌乳酸亚种KLDS4.0325的碳水化合物利用能力和乳酸形成潜力。【方法】本文对该菌株进行了全基因组鸟枪法测序,并应用生物信息学方法对该菌株细胞外糖的转运、代谢及产酸途径涉及的一系列基因与其它9株参考菌株进行了比较分析。【结果】与参考菌株相比,该菌株基因组中具有较多涉及整个途径糖代谢途径的关键酶编码基因。【结论】该菌株在基因水平上表现出能够利用多种糖类物质来产乳酸的优良性状,是一株具有高产L-乳酸工业潜能的乳酸菌。     

分枝杆菌LY-1内源性表达元件的筛选及其在降低Cas9蛋白毒性中的应用

【背景】分枝杆菌LY-1因能够将天然植物甾醇代谢转化为重要甾体药物中间体,目前已成为工业上的优势生产菌株。高效的CRISPR/Cas9基因编辑技术是工业菌株代谢工程改造进行产量性状提升的关键。然而由于Cas9蛋白的高表达毒性问题且分枝杆菌中已公开报道的可用表达元件较少,极大地限制了Cas9蛋白在该菌株中的适度表达。【目的】筛选内源性表达元件,利用合适的表达元件启动Cas9蛋白的表达,降低其对菌株的毒性。【方法】依据文献和前期研究获得的分枝杆菌基因转录组水平数据,并结合启动子在线预测网站BDGP(https://www.fruitfly.org/seq＿tools/promoter.html),筛选内源性表达元件。以增强型绿色荧光蛋白作为报告基因对表达元件的强度进行评估,并采用不同强度的表达元件启动Cas9蛋白的表达。【结果】获得了23个不同表达强度的表达元件,采用中等强度的表达元件及弱表达元件都降低了Cas9蛋白对分枝杆菌LY-1的毒性,实现了Cas9蛋白在该菌株中的适度表达。【结论】建立了分枝杆菌LY-1内源性表达元件库,为后续菌株中高效CRISPR/Cas9基因编辑技术的构建及关键...     

精氨酸代谢调控蛋白ArgR调控嗜热链球菌胞外多糖合成

[目的] 研究精氨酸代谢调控蛋白ArgR对嗜热链球菌胞外多糖（EPS）合成的调控作用。[方法] 利用大肠杆菌异源表达嗜热链球菌ArgR蛋白,通过尿素变性-复性和Ni²⁺亲和层析纯化。采用凝胶电泳迁移（EMSA）和生物膜层干涉（BLI）分析ArgR和eps基因簇中P_epsA启动子的相互作用和动力学信息。构建过表达和弱化argR基因菌株,利用苯酚-硫酸法测定其合成EPS差异。[结果] 大肠杆菌异源表达的ArgR为包涵体,使用尿素变性-复性纯化可获得2.95 mg/mL可溶性蛋白;EMSA和BLI结果显示ArgR和启动子P_epsA有特异性结合,且结合因解离水平低而稳定;过表达argR基因可显著降低嗜热链球菌EPS合成,而弱化argR基因则提高EPS合成。[结论] 本研究表明ArgR能特异性结合嗜热链球菌eps基因簇启动子,并负调控EPS生物合成。     

3种水稻土中7株固氮蓝细菌的分离与特征

【背景】蓝细菌是水生和陆地生态系统中生物固氮的主要贡献者。【目的】增加对稻田土壤固氮蓝细菌的了解,获得用于进一步研究的可培养固氮蓝细菌菌株。【方法】选择3种具有不同固氮能力的水稻土,采用BG11-N培养基分离培养固氮蓝细菌菌株,对新分离菌株进行形态特征观察,通过基因组DNA的nifH基因扩增明确其固氮潜力,进一步采用乙炔还原法和~(15)N_2示踪法定量测定其固氮能力,通过基因组DNA的16SrRNA基因序列比对进行鉴定。【结果】在光照培养条件下,采用BG11-N培养基共分离纯化得到自养菌株7株,细胞呈圆形或椭圆形、单列、无分枝、丝状和念珠状,在固体培养基上形成团垫状菌落。新分离菌株在BG11-N培养基中生长状况良好,以基因组DNA为模板可扩增出nifH基因,乙炔还原法和~(15)N_2示踪法测定结果显示具有较高固氮能力,同时具有铁载体生成能力。结合16S rRNA基因序列比对和形态特征,7株菌被初步鉴定隶属于念珠藻科(Nostocaceae)。【结论】从水稻土中分离到在稻田生物固氮中发挥重要作用的蓝细菌(念珠藻科)菌株,可培养固氮蓝细菌菌株固氮能力较高,兼具铁载体生成能力,可作为进一步深入研究的微生物资源,具有潜在的研究应用价值。     

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...     

藤黄生孢链霉菌NRRL 2401遗传操作系统和基因文库的构建北大核心CSCD

【目的】建立藤黄生孢链霉菌NRRL 2401的遗传操作系统和基因文库,以便筛选次级代谢产物生物合成基因。【方法】利用大肠杆菌和链霉菌的属间接合转移的方法,以整合型载体pPM927、pSET152和复制型载体pJTU1278构建链霉菌遗传操作系统。以pCClFOS^(TM)载体,大肠杆菌EP1300^(TM)-T1~R为宿主菌构建Fosmid文库。随后,设计引物,利用"板池-行池-单克隆"的三级PCR方法对文库进行快速筛选。【结果】pPM927、pSET152和pJTU1278均成功转入藤黄生孢链霉菌NRRL 2401,其中pSET152载体的转化效率最高。构建了稳定高效的藤黄生孢链霉菌NRRL 2401的基因文库,含2880个克隆,平均插入片段大小约为35 kb,空载率小于1%,文库覆盖率为99.99%,覆盖基因组16.5倍。同时,初步筛选出可能含有吲哚霉素生物合成基因簇的9个阳性克隆。【结论】成功构建了稳定高效的藤黄生孢链霉菌NRRL 2401遗传操作系统和高质量的基因文库,为克隆该菌中次级代谢产物生物合成基因簇以及进一步遗传改造奠定了基础。     

可同化阿拉伯糖的木糖还原酿酒酵母菌株构建

[目的] 以秸秆等木质纤维素类生物质为原料生产液体生物燃料乙醇,目前生产成本高,大规模工业化生产尚有较大难度。构建能同化阿拉伯糖进行木糖还原生产木糖醇的重组酿酒酵母菌株,以实现原料中全糖利用、生产高附加值产品,实现产品多元化。[方法] 首先,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术依次向出发菌株中导入阿拉伯糖代谢途径和木糖还原酶基因,使菌株获得代谢阿拉伯糖和将木糖转化为木糖醇的能力;其次,通过适应性驯化的进化工程手段,提高重组菌株对阿拉伯糖的利用效率;最后,通过混合糖发酵验证重组菌株利用阿拉伯糖和还原木糖产木糖醇的能力。[结果] 通过导入植物乳杆菌的阿拉伯糖代谢途径,酿酒酵母菌株获得了较好的利用阿拉伯糖生长繁殖的能力;进一步导入假丝酵母的木糖还原酶基因后,重组菌株在葡萄糖作为辅助碳源条件下可高效还原木糖产木糖醇,但阿拉伯糖的利用能力下降。利用以阿拉伯糖为唯一碳源的培养基进行反复批次驯化,阿拉伯糖的利用能力得以恢复和提升,得到表型较好的重组菌株KAX3-2。该菌株在木糖（50 g/L）和阿拉伯糖（20 g/L）混合糖发酵条件下发酵72 h时,对阿拉伯糖和木糖利用率分别达到42.1%和65.9%,木糖醇的收率为64%。[结论] 本研究成功构建了一株能有效利用阿拉伯糖并能将木糖转化为木糖醇的重组酿酒酵母菌株KAX3-2,为后续构建、获得阿拉伯糖代谢能力更强、木糖醇积累效率更高菌株的工作奠定了基础。     

牦牛源产细菌素屎肠球菌的分离鉴定和益生特性

【背景】抗生素的滥用导致牦牛肠道常见病原菌耐药性增加,益生菌作为对抗耐药性细菌的新型武器,应用前景广阔。【目的】获取益生特性优良的牦牛源益生菌。【方法】将20份牦牛粪便样本在含0.5%CaCO3的MRS培养基上分离纯化,以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为指示菌,用牛津杯法筛选有抑菌活性的菌株;排除酸和过氧化氢后,经耐酸耐热试验和蛋白酶敏感试验筛选产细菌素菌株,用形态学和16S rRNA基因序列分析鉴定;通过对大肠杆菌、沙门氏菌等腹泻病原菌体外抑菌试验、耐模拟胃肠液、测定自聚集能力和疏水性及抗生素敏感试验分析益生特性。【结果】从20份牦牛粪便样本中共分离出11株产生溶钙圈的菌株,其中6株对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌效果显著,经复筛得到2株产细菌素的乳酸菌SC6和SC9,经鉴定均为屎肠球菌(Enterococcus faecium)。其中SC9对腹泻病原菌抑菌效果明显,有良好的耐受性和肠道黏附能力,对5种常用抗生素均敏感。【结论】屎肠球菌SC9有一定的抗逆性和潜在的益生能力,具备作为益生菌的潜力。     

向日葵菌核病拮抗菌的筛选、鉴定及防效测定

【背景】由核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)引起的菌核病是影响向日葵产量的重要病害,近年来在我国内蒙古和甘肃等地频繁发生。【目的】挖掘能够对向日葵菌核病进行生物防治的拮抗菌株和有效方法。【方法】用4种不同的培养基通过稀释涂布法对向日葵健康植株的根际土壤菌群进行分离,利用平板对峙实验筛选出对核盘菌有抑制作用的菌株。选取拮抗作用较强的菌株进行向日葵离体叶片防效测定,采用形态学特征、生理生化特性结合16SrRNA基因序列分析进行菌种鉴定,并配制成不同单菌剂和复合菌剂进行盆栽实验,测定活体防效。【结果】从土壤中共分离出142株菌,从中筛选到12株抑菌圈明显的拮抗菌株。其中拮抗菌Bacillussp.NM63、JQ134、J7、J33和Streptomyces sp. Z9、ZX6抑菌圈直径大于25 mm,这6株菌在向日葵离体叶片防效测定实验中效果显著。菌株NM63、JQ134、J7、Z9、J33和ZX6单菌剂盆栽实验的防治效果依次为79.06%、74.10%、70.72%、67.83%、65.11%和57.11%。菌株配比为Z9:NM63:JQ134:J7=1:1:1:...