基于低pH适应性进化策略提高小白链霉菌ε-聚赖氨酸合成能力

小白链霉菌(Streptomyces albulus)是ε-聚赖氨酸(ε-poly-L-lysine,ε-PL)的工业生产菌,其在发酵生产过程中遭受低p H胁迫,易造成ε-PL合成能力下降。因此,该文采用一种逐级增加选择压力的低p H适应性进化策略,经过连续93 d的适应性进化,实现S.albulus GS114耐受p H值由4.0降低到3.6。经过大量筛选,获得了低p H适应性进化菌株S.albulus ALE4.0、S.albulus ALE3.8和S.albulus ALE3.6;结合低p H耐受性和摇瓶发酵实验,确定最优适应性进化菌株为S.albulus ALE3.6。进一步考察不同p H值对S.albulus ALE3.6合成ε-PL的影响发现,S.albulus ALE3.6在不同p H值条件下,较出发菌株S.albulus GS114均表现出发酵优势。最后,采用恒定p H 4.0补料分批发酵方式,在5 L发酵罐水平实现S.albulus ALE3.6的ε-PL产量达到43.7 g/L,较出发菌株提高了63%。研究结果一方面表明通过适应性进化方法可以显著提高S.albulus的低p H耐受能力,另一方面也说明通过增强S.albulus低p H耐受性是提高其合成ε-PL能力的有效途径。

蚂蚁入侵适应性进化及其机制

入侵种被传至一个新的区域后,在面对当地某些生态因子的胁迫时如何发生适应性变化,是入侵生物学研究的一个重要课题。这方面信息对评价物种的入侵性、制订防控策略具有重要指导意义。入侵性蚂蚁作为无脊椎陆生动物中入侵最成功、危害最严重的一类,其生物学、生态学已得到大量研究,许多报道表明它们在定殖和扩张过程中会发生适应性变化。基于30多年的文献资料,从蚁群社会结构、超级蚁群形成能力、个体大小、觅食行为、种间竞争、天敌防御、适应低温能力、生态位转变等多个角度进行了全面总结,并针对这些方面适应性变化的机制,从表型可塑性、适应性进化、自身遗传学基础、与共生微生物的互利关系等角度进行了剖析。提出了今后有待重点研究的几个问题。将有助于深化对蚂蚁成功入侵机制的认识,为推进我国红火蚁(Solenopsis invicta Buren)、小火蚁(Wasmannia auropunctata Roger)等入侵性蚂蚁的研究与治理提供参考。

蝙蝠核心生物钟基因Per1昼夜表达节律与适应性进化研究

长期以来,生物钟相关研究一直是生命科学领域的热点话题。以往研究表明核心生物钟基因Per1广泛参与哺乳动物昼夜节律调控。然而,Per1基因在具有不同昼夜节律活动模式的哺乳动物中是否发生了遗传位点改变,以及这些改变是否促进了哺乳动物昼夜活动模式的形成和稳定仍有待研究。本研究通过荧光定量PCR、基因克隆测序与分子进化分析方法,对核心生物钟基因Per1开展了深入的分子进化分析,明确了Per1基因在夜行性蝙蝠脑区的昼夜振荡规律,由休息状态到睡眠状态对应着Per1基因表达量的由高到低,睡眠状态的表达量最低,而由觉醒状态到活动状态对应着Per1基因表达量的持续升高,与Per1基因维持中枢生物钟调控功能高度相关;检测到Per1基因序列上的15个潜在受正选择位点与2个显著受正选择位点,其中在夜行性动物中检测到的显著受正选择的1118A氨基酸位点恰好位于该基因编码蛋白的功能域上;通过滑窗分析结果显示,Per1基因在夜行性哺乳动物中的进化速率均普遍高于其在日行性哺乳动物中的进化速率,可能促进了哺乳动物夜行性活动模式的形成和稳定。本研究为深入理解哺乳动物自身稳态维持与适应环境周期性变化的关键分子基础提供新的认知,为生物钟相关研究提供思路和参考。

刺五加DNA甲基转移酶基因的适应性进化分析

本研究以刺五加(Eleutherococcussenticosus)的DNA甲基转移酶(cytosine-5DNA methyltransferase,C5-MTase)基因为研究对象,探究其适应性进化的特征。在刺五加的基因组中共鉴定出11条C5-MTases序列,对其进行生物信息学分析和系统发育分析,并分别利用PAML软件的分支模型、位点模型、分支-位点模型以及MEC模型、SLAC(singlelikelihood ancestorcounting,SLAC)和FEL(fixed effects likelihood model,FEL)等方法对刺五加C5-MTases基因的选择位点进行检测。生物信息学分析结果表明刺五加C5-MTases的基因结构高度保守。系统发育分析结果显示,11条C5-MTases基因序列可分为CMT、MET和DNMT三大分支。适应性进化分析结果表明,纯净选择在刺五加C5-MTases基因的进化过程中占主导地位。

不同食性雁形目鸟类线粒体基因组的适应性进化分析

以往的研究表明,动物的食性与能量代谢及生存适应密切相关。能量代谢主要发生在线粒体中,线粒体编码的13个蛋白质亚基是氧化磷酸化复合体的重要组成部分。雁形目鸟类的食性主要包括肉食性、杂食性和植食性3种类型。为了分析食性对鸟类基因组进化的影响,研究选取了20种雁形目鸟类,并根据食性分成3组,下载其线粒体基因组,通过适应性进化分析、放松性选择分析、多态性氨基酸位点检测以及3D结构预测分析,研究这3组鸟类的线粒体蛋白编码基因在进化上的表现。结果发现,食肉组鸟类线粒体基因组的进化速率高于食草组和杂食组鸟类,并且只有食肉组鸟类线粒体蛋白编码基因受到了放松性的选择压力作用。此外,多态性氨基酸位点检测表明,食肉组线粒体基因组编码的蛋白质中,多态性位点和有害位点数量远高于食草组和杂食组。而杂食组鸟类线粒体蛋白编码基因进化速率较低,大部分基因受到强化性选择作用,蛋白质序列中的多态性位点也较少。研究结果表明,不同食性的雁形目鸟类,其线粒体基因组编码的蛋白质受到了不同的选择压力,这为食性差异影响鸟类线粒体基因组适应性进化提供了分子依据。

适应性进化提高酿酒酵母糠醛耐受性及其机理研究

燃料乙醇的原材料多样、对环境污染小,是一种真正意义上的可再生绿色能源。为了加大生物质能源的工业化进程,并克服预处理过程中产生的抑制剂对酵母的抑制作用,本研究以酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)CEN.PK 1B-7D为出发菌株进行适应性进化培养,得到了对糠醛耐受性高且生长延滞期明显缩短的进化菌株CEN.PK 1B-7D 385。进一步比较原始菌株和进化菌株在4 g/L糠醛条件下细胞膜的通透性、膜电位变化情况和细胞内活性氧含量(ROS)。结果发现,相对于原始菌株,碘化丙啶(PI)染色细胞数降低了45.2%,去极化细胞数量减少了66.7%,说明在糠醛胁迫下进化菌株的细胞膜更加完整。同时,进化菌株胞内ROS含量从原始菌株的9.1%降低为6.5%,说明在糠醛胁迫下进化菌株胞内ROS有所下降。结合生物量、乙醇产量、细胞膜通透性及膜电位等诸多因素,进化菌株CEN.PK 1B-7D 385对糠醛的耐受性较原始菌株有明显提升。

陆生植物鲨烯合酶适应性进化正选择位点分析

鲨烯合酶是三萜类皂苷生物合成途径中的关键酶,其活性的高低决定了三萜皂苷、植物甾醇等后续次生代谢物的含量.对鲨烯合酶进行正选择位点分析,可为识别重要的功能位点提供有意义的信息.本研究在克隆获得五加科三七、葫芦科绞股蓝鲨烯合酶cDNA的基础上,结合GenBank中所登载的植物鲨烯合酶cDNA序列信息,利用位点模型检测并分析了38种陆生植物鲨烯合酶的适应性进化.结果显示,进化上相对保守的鲨烯合酶受到正选择作用,检测到的21个正选择位点大部分集中于第2跨膜区及其两侧,其中189S、194S、196S、265I、389P、390T、408A、410R和414N等9个位点很可能与鲨烯合酶的活性有关.本研究从分子进化角度为调控三萜类化合物的生物合成提供了一个新的思路.

凤尾蕨科旱生蕨类rbcL基因的适应性进化和共进化分析

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco,EC 4.1.1.39)是植物参与光合作用的关键酶,其大亚基由叶绿体rbcL基因编码。为深入理解凤尾蕨科植物对干旱生境的分子适应机制,本研究以53种凤尾蕨科旱生植物的rbcL基因为对象,展开适应性进化和共进化研究。采用位点间可变ω比值模型以及SLAC、REL和FEL等方法进行的适应性进化分析显示:在氨基酸水平上共有15个正选择位点(66S、84E、139L、235G、245I、252A、273Y、295K、296N、299M、307G、330E、349S、365F、404A),其中位点245I、252A和273Y对维持Rubisco功能起重要作用。共进化分析共鉴定出2组共进化位点,分别由139L、273Y、295K和273Y、295K、349S组成,这些氨基酸位点间的共进化方式与蛋白质的疏水性和分子量都显著相关。以上结果一方面支持基于ω比值检验DNA编码序列发生适应性进化的有效性,另一方面也提示凤尾蕨科植物对干旱生境的适应可能与rbcL基因的适应性进化有关。

蕨类植物叶绿体rps4基因的适应性进化分析

在原核生物和植物叶绿体中,RPS4(ribosomal protein small subunit4)在核糖体30S小亚基形成起始过程中发挥重要作用;该蛋白在植物中由叶绿体rps4基因编码。为验证蕨类植物在白垩纪适应被子植物兴起而发生分化的观点,本文以23种蕨类植物为研究对象,利用分支模型、位点模型和分支位点模型对其叶绿体rps4基因进化适应性进行分析。分支模型检测到4个可能存在正选择的分支;位点模型和分支位点模型虽然没有检测出正选择位点,但是位点模型检测出了85个负选择位点。通过研究我们仅仅得出a、b两个代表水龙骨类的分支处于正选择压力下,这与水龙骨类在白垩纪发生辐射式演化的理论相一致。同时rps4基因处于强烈的负选择压力这一事实表明该基因的功能与结构已经趋于稳定。

念珠藻属植物nifH基因的适应性进化分析

念珠藻(Nostoc)固氮过程关键在于固氮酶的催化,而固氮酶复合物中的铁蛋白(NifH)是由高度保守的nif H基因编码的,该基因是进化史上现存最古老的功能基因之一。该研究选取念珠藻属及近缘类群的nif H基因序列共40条,采用最大似然法构建系统发育树;运行PAML4.9软件,对nif H基因编码蛋白进行生物信息学分析,并使用分支模型、位点模型和分支-位点模型检测该基因的选择位点,探讨nif H基因的适应性进化特征。结果表明:(1)最大似然树显示内类群中该研究物种共分为6个分支(A、B、C、D、E和F),其中D和E是2个大的分支,每个大分支中又各包含2个特殊的小分支A、F和B、C,其中F分支包含新疆古尔班通古特沙漠采集到的9株念珠藻,A分支包含F分支及该研究测定序列的4株葛仙米,B分支包含本研究测定序列的4株地皮菜和3株未定种的念珠藻,C分支包含NCBI数据库中下载的5株念珠藻、鱼腥藻序列和本研究测定序列的1株念珠藻。(2)在所分析的3种进化模型中,仅通过分支-位点模型检测出14个统计学上显著的正选择位点,即1F、2S、3S、4T、5A、6F、7F、8I、9S、10C、17I、27Y、29D和31R位点,表明念珠藻属植物的nif H基因发生了适应性变化,分支-位点模型是研究藻类基因适应性进化较好的模型。

鲫鱼PKR-like Zα与d(GC)_(13)质粒的结合及其适应性进化

Zα是一类能特异性识别与结合左旋DNA(Z-DNA)的蛋白质结构域,分布于不同物种的多种蛋白质中,其结构保守并分化自一个共同的祖先Z-结构域。适应性进化分析显示Zα没有经历正达尔文选择,表明与其结构对应Zα的功能相当保守。凝胶阻滞试验表明原核表达的鲫鱼PKR-like Zα多肽(CaPZα)不与pMD18-T质粒结合,而却能与包含d(GC)13的重组质粒pMD18-T/(GC)13结合。同时,与ADAR1Zα相比,CaPZα与d(GC)13质粒的结合能力较弱,即CaPZα1和CaPZα2子域单独不能结合d(GC)13质粒。这表明Zα功能虽然没有异化,但有很大的不同。实验结果还表明负超螺旋和d(GC)n可能都是正常生理条件下,DNA形成潜在Z-DNA必不可少的因素。定点突变试验证实38N与60W两个氨基酸位点对于CaPZα结合Z-DNA非常关键。

念珠藻属植物hetR基因的适应性进化分析

以念珠藻属(Nostoc)及其近缘类群hetR基因的51条序列为研究对象,对hetR基因的编码蛋白进行生物信息学分析和系统发育分析,并使用分支模型、位点模型和分支-位点模型进行该基因位点的适应性进化研究。系统发育分析结果显示,51条hetR基因蛋白序列可分为4个大分支。适应性进化分析结果表明,在3种进化模型中,大多数分支及藻株都没有检测到统计学上具有显著性的正选择位点,说明检测的位点大多处于负选择压力下。但在普通念珠藻(Nostoc commune,CHAB2802)中检测到正选择位点(126T),提示念珠藻属植物hetR基因发生了适应性改变。

哺乳动物低氧适应性基因EGLN1的适应性进化与共进化特征

EGLN1基因是一个关键的氧传感基因,也是低氧适应的重要调控基因之一。用生物信息学方法分析了哺乳动物EGLN1基因的适应性进化和共进化特征。结果表明,基于SLAC、FEL和REL方法在EGLN1基因中都检测到正选择位点,表明EGLN1基因在进化过程中受到了正选择作用,产生了适应性进化。在EGLN1基因编码区还识别出共进化位点,推测这些位点间可能存在直接或间接的相互作用,对维持蛋白质的结构和功能起着重要作用。

裸子植物中光敏色素PHY-PAS1结构域的适应性进化

光敏色素是一类红光/远红光受体,在植物种子萌发到成熟的整个生长发育过程中均起重要的调节作用。光敏色素PHY-PAS1结构域存在于光敏色素基因家族的所有成员中,对调节发色团的光谱特性和光信号转导非常关键。光敏色素基因家族通过基因重复产生,而基因重复可能与物种形成有关。PHYP基因是裸子植物光敏色素基因家族发生第1次重复后产生的,并且以单拷贝形式存在。为了研究不同裸子植物PHYP基因编码蛋白的PHY-PAS1结构域在进化过程中是否受到相同的选择压力以及是否发生了适应性进化,该研究利用分支模型、位点模型以及分支-位点模型对裸子植物31条PHYP基因序列编码蛋白的PHY-PAS1结构域所受到的选择压力进行了分析。结果表明,在由PHY-PAS1结构域序列构建的系统树中,多数分支处于强烈的负选择压力下(ω<1);有14个分支处于正选择压力下(ω>1),其中13个分支发生在属内种间;与之相比,在较为古老的谱系中相对缺少这种正选择压力。

利用硅橡胶膜生物反应器适应性进化培育耐持久力酵母菌株

酵母是影响乙醇发酵的关键因素之一。本实验设计了一种通过适应性进化改进酵母菌株性能的方法:将工业酵母菌株接种到硅橡胶膜生物反应器中进行长期封闭循环连续发酵,通过递进转移的方式进行适应性培养并筛选出优势酵母菌株。硅橡胶膜渗透汽化同步分离乙醇使发酵过程长期连续运行,发酵代谢产物中多种非透过性物质连续累积,发酵液不断恶化的环境为酵母适应性进化提供了选择压力。通过实验发现,从每轮500 h连续发酵终止时分离繁衍约200代的菌株,在残液培养基中具有更高的生长速率和乙醇产率,表现出明显的适应性进化特征。研究表明,采用这种方法选育的酵母菌株,延长封闭循环发酵的时间并维持较高的乙醇得率是可行的,对推进封闭循环乙醇发酵生产工艺的发展有利。

SARS-CoV由果子狸向人类跨种传播中S蛋白的适应性进化研究

目的:研究SARS-CoV表面S蛋白由动物向人类跨种传播过程中的适应性进化过程。方法:用系统进化树构建和群体遗传学方法,对100个S基因序列进行了分析。这些序列均从GenBank获得,并能反映整个SARS流行期。结果:依据系统进化树和流行病学资料,将SARS病毒分为三个流行群:02-04跨种传播群、03-早中期流行群和03-晚期流行群。它们分别代表SARS-CoV克服种间障碍实现跨种传播阶段、进入人类后的最初适应阶段以及在人类中建立感染后的阶段。在前两个流行群中,S蛋白受到了阳性选择压力,而在03晚期流行群中却遭受了很强的负选择压力。三个流行群选择压力的比较显示,SARS-CoVs从动物向人类跨种传播过程中,S蛋白受到的阳性选择压力依次减小。结论:从最初的阳性选择到最后的负选择,S蛋白经历了变化的自然选择压力。这种变化的选择压力不仅反映了SARS-CoV由动物向人类跨种传播的适应性进化过程,也为研究其他病毒的跨种传播机制提供重要线索。

被子植物SQUA类基因适应性进化的统计检测

SQUAMOSA(SQUA)类基因是MADS box基因家族中参与花被发生发育的重要基因 .测定了麻竹的SQUA基因序列并分析了被子植物中SQUA类基因的系统发育式样 ;采用相对速率检验、同义与非同义置换位点统计以及似然比检验方法 ,分析了单子叶和真双子叶植物最近共同祖先中SQUA基因发生基因重复后的进化速率与适应机制 .结果表明 :真双子叶植物分支中SQUA类基因的相对速率和同义与非同义置换位点均显著高于单子叶植物分支 ;同时 ,dN/dS 值表明真双子叶植物分支中可能存在正选择压力 .

自然选择与人的适应性进化

行为作为适应性进化的一种特殊形式，它与机体体制结构的进化有着共同的进化机制，它们都是自然选择的产物。在人的进化中，自然选择的作用就在于不断地提高人的基因质量，从而增强人的总体适合度。基因质量包括基因结构质量和基因表现质量，遗传进化学家常常只关注提高人的基因结构质量所导致的适应性进化。事实上，提高人的表现质量所表现出的适应性进化有着极其重要的意义。尽管这两种形式的进化通常是交织在一起的，但在人的进化中，后者所表现出的长时期的、持续的和方向性的快速进化。

适应性进化策略强化厌氧产氢菌群的发酵效能

厌氧发酵产氢菌群中微生物的多样性造成了其在生理生化行为上的异质性,如对有机酸胁迫响应的不一致性,这种异质性形成产氢过程中的"短板效应",限制了菌群整体发酵能力。以外源丁酸胁迫结合选择性化学抑制剂作为复合选择性压力,在连续流中对产氢菌群进行适应性进化,其目的在于消除菌群中导致"短板效应"的微生物,同时富集带有有益进化的产氢细菌,从而强化厌氧菌群的整体发酵效能。分析表明,进化菌群产氢效能的提高主要归因于耐酸能力的提高、竞争途径的弱化、氢化酶和NADH-铁氧还蛋白氧化还原酶(NADH-ferredoxin oxidireductase)活性的提高。

开放性基础医学实验教学促进医学生专业能力的培养——以适应性进化技术改造有机磷降解菌为例

以学生发展为中心,通过教学改革促进学习革命,开放性实验教学是高校素质教育深化改革的重要课题〔1〕。进化生物学在很多领域有效地解决了当今重大疑难疾病治疗的世界性难题,其广泛地利用相邻学科的成就,在技术方法上是博采众长,因此十分适宜开放性实验教学〔2〕。让学生在教师的指导下阅读文献、独立设计实验、操作实验、分析实验结果,帮助学生掌握科研技能,进而形成严谨的科学思维〔3〕。