塔里木河中下游流域棉田及胡杨林土壤细菌群落结构及多样性研究

【背景】新疆绿洲生态系统的大规模农垦开发对当地生态环境产生了一系列影响,评估农业活动对新疆地区原始生态土壤细菌群落的影响对合理利用土地、开发农业资源具有指导意义。【目的】通过研究塔里木河中下游流域受农垦开发影响的棉田及未经历土地开垦的胡杨林土壤细菌群落结构及多样性的变化,探究农垦开发活动对土壤微生态的影响。【方法】利用国标法测定塔里木河中下游流域绿洲棉田及原始胡杨林全氮、总盐、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、pH等土壤理化性质;提取土壤总DNA,通过PCR扩增建立文库,用新一代Illumina HiSeq 2500测序技术对土样DNA进行16SrRNA基因(V4区)高通量测序;利用生物信息学分析细菌群落的α多样性(包括Chao1、Observed species、Phylogenetic diversity (PD)、Shannon、Simpson和Good’s coverage指数)、β多样性在两地的变化,基于线性判别分析流程[Lineardiscriminantanalysis(LDA)effectsizepipeline,LEfSe]分析在两地具有显著差异的细菌分类单元;结合土壤理化参数、群落功能预测分析可能影响两地细菌群落结构变化的主要因子。【结果】土壤基本理化性质分析:绿洲棉田与原始胡杨林相比,全氮、碱解氮、总盐、pH含量显著增加,土壤盐含量与全氮、碱解氮和pH呈显著正相关(P0.05);细菌多样性分析:α多样性指数Chao1、Observedspecies和PD在棉田样品中均显著低于胡杨林样品,Shannon指数差异虽不显著,但是也表现出同样的变化趋势;细菌群落组成分析:两组样品中的优势细菌依次为α-变形杆菌纲、放线菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门、酸杆菌门、γ-变形菌纲、β-变形菌纲、δ-变形菌纲、绿弯菌门、厚壁菌门、浮霉菌门、泉古菌门和硝化螺旋菌门(丰度1%);差异分析的结果显示,新疆绿洲棉田土壤中显著富集的微生物主要包括酸杆菌门、放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、黄杆菌纲、α-变形菌纲、γ-变形菌纲中的一些物种,以及泉古菌门中的Candidatus Nitrososphaera;新疆原始胡杨林土壤中显著富集的微生物主要包括绿菌门、δ-变形菌纲以及变形菌门中的其他物种,还包括泉古菌门中的Nitrosopumilus。主坐标分析(PCoA)结果显示,棉田生态系统的土壤细菌群落结构能够与胡杨林生态系统的群落结构明显分开,且前者的细菌群落结构一致性更高。功能预测结果显示,绿洲棉田的硝化作用显著高于原始胡杨林。冗余分析(RDA)结果表明全氮含量对细菌群落结构有显著影响。【结论】在长期耕种施肥等人为因素干扰下,绿洲棉田土壤细菌多样性和群落结构发生明显改变,细菌α多样性明显低于原始胡杨林,细菌β多样性差异减弱,同时一些与植物生长密切相关的细菌类群,如放线菌、硝化细菌等显著富集。该研究可为新疆绿洲棉田生态系统的开发利用现状提供数据参考。     

定向进化改造酪氨酸解氨酶提高大肠杆菌合成对香豆酸产量

对香豆酸是一种具有多种药理活性的天然酚类化合物,也是多种天然药用产物生物合成的前体物质,广泛应用于食品、化妆品、医药等领域。通过微生物合成对香豆酸相对于化学合成和植物提取工艺具有节能减排等优势。但是,目前微生物合成对香豆酸产量较低,难以满足大规模工业发酵生产的要求。为了进一步提高对香豆酸产量,对粘红酵母酪氨酸解氨酶 (Tyrosine ammonia-lyase,TAL) 进行定向进化改造,利用高通量筛选方法从随机突变体文库中筛选TAL催化活性提高的突变体。通过初筛和复筛两轮筛选,从大约10 000个突变体中获得1个TAL催化活性提高1倍的突变体。该突变体包含3个氨基酸突变位点,分别为S9Y、A11N、E518A。进一步通过单点氨基酸饱和突变验证,当S9位点突变为Y、I、N和A11位点突变为N、T、Y时,TAL的催化活性提高1倍以上。通过对S9和A11位点3种类型突变进行组合突变验证,S9Y/A11N和S9N/A11Y突变体的TAL催化活力显著高于其他组合。将S9N/A11Y突变体质粒转入酪氨酸高产菌株CP032。通过摇瓶发酵,该菌株在48 h时的对香豆酸产量达到394.2 mg/L,比对照菌提高2.2倍。本研究工作对促进微生物合成对香豆酸的代谢工程研究具有一定的参考价值。     

芳香族香料化合物生物合成研究进展

芳香族化合物在香料中占很大的比重,传统生产方式有化学合成和植物提取。化学合成依赖于石油资源,并具有环境不友好、反应条件恶劣等缺点。植物提取方法受限于植物资源,且占用耕地。近年来,随着代谢工程和合成生物学技术的发展,利用可再生原料,微生物合成芳香族香料化合物成为一种新的生产方式。文中介绍了大肠杆菌和酵母菌等模式微生物合成芳香族香料的研究进展,包括利用莽草酸途径合成香兰素等,聚酮途径合成覆盆子酮等。综述重点介绍了生物合成途径解析、人工合成途径创建及代谢调控等,为微生物发酵法生产芳香族香料化合物提供参考。     

代谢工程在维生素生产中的应用及研究进展

维生素是维持人体生命活动必需的一类有机物质,机体本身一般不能合成或合成量不足,因此需经食物或其他强化产品获取。目前,维生素产品已广泛应用于医药、食品添加剂、饲料添加剂、化妆品等领域,而且全球对维生素的需求也是呈逐年增长态势。维生素的生产方法主要包括化学合成法和生物合成法。化学合成法通常安全隐患大、反应条件严苛、废物污染严重,相比之下,代谢工程生产维生素绿色环保安全、能耗低,因此建立微生物细胞工厂具有重大的科学意义和应用需求。文中回顾了近30年来代谢工程在维生素生产领域的研究进展,详细阐述了水溶性维生素(维生素B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9、B12和维生素C的前体)和脂溶性维生素(维生素A、维生素D的前体、维生素E和维生素K)的生物合成研究现状,并对其发酵生产的瓶颈进行了探讨,最后对合成生物技术创建维生素生产菌种进行了展望。     

谷氨酸棒杆菌的代谢工程使能技术研究进展

谷氨酸棒杆菌Corynebacterium glutamicum是重要的工业微生物,尤其是在氨基酸工业中,每年用于600余万t氨基酸的生物制造。近年来,谷氨酸棒杆菌代谢工程使能技术正在不断完善,不仅加快了细胞工厂的创建和优化,拓展了底物谱和产物谱,也推动了谷氨酸棒杆菌的基础研究,使谷氨酸棒杆菌成为代谢工程的理想底盘细胞。文中综述了近期针对谷氨酸棒杆菌开发的代谢工程使能技术,着重介绍了基于CRISPR的基因组编辑、基因表达调控、适应性进化和生物传感器等技术的开发和应用。     

非传统酵母代谢工程研究进展

近30年来解脂耶氏酵母、克鲁维酵母、毕赤酵母、假丝酵母、汉逊酵母等非传统酵母因其具有天然的生理代谢优势,如快速生长、多底物利用、胁迫耐受性等,在代谢工程领域得到了广泛关注,多种基因工程改造工具正逐渐被开发用于非传统酵母的特性拓展,使其成为合成重组蛋白、生物可再生化学物质的高效细胞工厂。文中总结了非传统酵母中基因编辑工具的发展,并从代谢工程改造策略角度概括了利用非传统酵母进行产品合成的研究进展。最后,讨论了非传统酵母在产品生产应用方面遇到的挑战和未来的研究方向。     

卡氏德巴利酵母植酸酶在毕赤酵母中的异源表达及优化

【背景】植酸是一种能螯合金属离子和蛋白质的有机磷类化合物,广泛存在于植物组织中,影响动物对营养元素的吸收。在饲料中加入植酸酶可有效降解植酸。【目的】构建毕赤酵母异源表达卡氏德巴利酵母(Debaryomyces castellii,D. castellii)植酸酶的菌株,促进卡氏德巴利酵母植酸酶的研究及工业应用。【方法】将卡氏德巴利酵母植酸酶基因进行密码子优化后转入毕赤酵母GS115中,通过筛选多拷贝、敲除蛋白酶、过表达分子伴侣及转运蛋白的方法获取优势菌株。【结果】所得重组菌株GS115/DCphy(ΔPep4)(BFR2)的产酶酶活是低拷贝菌株的7倍。【结论】研究结果为卡氏德巴利酵母植酸酶的异源表达及潜在工业应用提供了一定的指导。     

通过N端引入芳香族氨基酸提高木聚糖酶的热稳定性

耐热的木聚糖酶具有用于造纸、麻类脱胶和饲料生产等工业领域的巨大潜力,为了提高11家族碱性木聚糖酶Xyn11A-LC的热稳定性,通过理性设计在N-末端引入了芳香族氨基酸(T9Y和D14F)。测定野生型和突变体的性质表明,突变体的最适反应温度和热稳定性均获得了提高。突变体的最适反应温度比野生型提高了5℃。野生型在65℃的Tris/HCl缓冲液(pH 8.0)中的半衰期为22 min,而突变体在此条件下的半衰期为106 min。圆二色光谱测定结果显示野生型和突变体的Tm分别为55.3℃和67.9℃。因此,通过在N-末端引入芳香族氨基酸可以提高11家族木聚糖酶的热稳定性和在高温下的活性。     

粗糙脉孢菌纤维素酶液体发酵优良形态突变体筛选

丝状真菌被广泛地用于包括纤维素酶在内的工业酶生产过程。在液体深层发酵中,丝状真菌菌丝形态直接影响发酵液的流变特性,进而与目标酶蛋白产量存在着重要的关联。目前,针对丝状真菌工业酶液体发酵菌丝形态的研究依然是从传统的发酵工程学角度出发,对与发酵水平紧密相关的形态、粘度等性状相关基因的认识远远不够。为了挖掘深层发酵中对丝状真菌发酵产酶性能具有重要影响的形态发育相关基因,以粗糙脉孢菌Neurospora crassa单基因突变体库中的95株形态突变株为研究对象,在结晶纤维素为碳源的条件下进行筛选,探寻与野生型菌株蛋白产量有显著差异的突变株。同时,对这些突变株的内切-β-1,4-葡聚糖酶酶活、β-葡萄糖苷酶酶活、发酵液粘度和菌丝干重进行了测定,并观察了发酵液中突变株的菌丝形态。实验结果表明,与野生型菌株相比,突变株SZY32、SZY35、SZY39和SZY43发酵液中蛋白浓度显著降低,突变株SZY11、SZY63、SZY69和SZY87发酵液中蛋白浓度显著性提高。值得注意的是,突变株SZY11和SZY43发酵液菌丝体主要形态为菌球状,其发酵液粘度分别降低75%和50%,突变株SZY87在发酵液中呈长丝状,发酵液粘度显著升高至少2倍。这些与产酶水平相关的形态、粘度基因的获得将有助于丝状真菌纤维素酶等工业酶高产工程菌株的理性构建。     

全细胞网络重建与细胞工厂设计

在各种组学及其相应的网络研究相对成熟的基础上,集成各组学网络的细胞整合型网络或全细胞网络将大大提高对生物表型的预测能力,并成为代谢工程决策的有力武器.本文在阐述了细胞工厂设计中应该考虑细胞整合网络之后,综述了细胞整合网络的重建、分析、设计方法方面的有关问题,并进一步就研究细胞整合网络涉及的数据库、软件平台、并行计算几方面的作用作了介绍.