水稻和其他禾本科植物基因组多倍体起源的证据(英文)

基因加倍(Geneduplication)被认为是进化的加速器。古老的基因组加倍事件已经在多个物种中被确定, 包括酵母、脊椎动物以及拟南芥等。本研究发现水稻基因组同样存在全基因组加倍事件,大概发生在禾谷类作物分化之前,距今约7000万年。在水稻基因组中,共找到117个加倍区段(Duplicatedblock),分布在水稻的全部12 条染色体,覆盖约60%的水稻基因组。在加倍区段,大约有20%的基因保留了加倍后的姊妹基因对(Duplicated pairs)。与此形成鲜明对照的是加倍区段的转录因子保留了60%的姊妹基因。禾本科植物全基因组加倍事件的确定对研究禾本科植物基因组的进化具有重要影响,暗示了多倍体化及随后的基因丢失、染色体重排等在禾谷类物种分化中扮演了重要角色。

响应面法优化里氏木霉Rut C-30产纤维素酶液体培养基

该试验在单因素对里氏木霉(Trichoderma reesei)Rut C-30产纤维素酶的液体培养基优化的基础上,以滤纸酶活为响应值,采用响应面法确定其最佳培养基。首先通过Plackett-Burman(PB)设计筛选出影响滤纸酶活的显著因素,结晶纤维素和麸皮;通过最陡爬坡试验逼近最大酶活力区域;最后通过Central Composite Design(CCD)设计及响应面分析确定产酶最佳培养基,其中影响酶活的显著性因素结晶纤维素41.8g,麸皮19.1g。经过优化,滤纸酶活力最高为8.21U/mL,比单因素优化结果7.03U/mL提高了16.78%,同时测得CMC酶活为63.64IU/mL,木聚糖酶活为27.4IU/mL,葡萄糖苷酶酶活0.96IU/mL。

粗糙脉孢菌木质纤维素降解利用研究进展

粗糙脉孢菌作为木质纤维素降解真菌,不仅具有完整的木质纤维素降解酶系,而且还拥有全基因组基因敲除突变体库,是研究丝状真菌纤维素酶表达分泌和木质纤维素降解机制的优秀体系。近年来,国内外利用粗糙脉孢菌系统,在木质纤维素降解机制方面取得了显著进展,包括纤维素酶信号传导、调控以及生物质降解后糖的转运利用等。笔者就相关方面的进展进行综述,并对利用粗糙脉孢菌研究木质纤维素降解利用进行展望,总结和分析木质纤维素降解机制研究的国际前沿动态,有助于加深本领域研究人员对真菌体系纤维素降解机制的理解。

木质纤维素资源高效生物降解转化中的关键科学问题研究

以高产木质纤维素降解酶的里氏木霉、草酸青霉,以及丝状真菌遗传学研究的模式菌粗糙脉孢菌为研究对象,分别对碳源感应（诱导物形成和转运）、信号传递、基因转录水平调控、蛋白分泌、酶系重构这5个调控木质纤维素酶高效降解木质纤维素的主要内容进行了深入研究。研究发现调控丝状真菌纤维素酶合成分泌的新基因。草酸青霉中3个纤维寡糖转运蛋白Cdt C,Cdt D与Cdt G,和粗糙脉孢菌中两个纤维寡糖转运蛋白CDT-1和CDT-2。通过调控真菌细胞将诱导物运输入细胞这一重要的生理过程,参与纤维素酶合成的调控。发现关键信号蛋白Tr Ras2通过信号调控纤维素酶基因的表达。发现多个在转录水平调控纤维素酶基因和半纤维素酶基因转录的调控蛋白,包括Amy R、Clr B、Cre A、CER-1、CER2、HCR-1等,它们或单独作用,或协同作用,共同调控纤维素酶基因转录水平的表达。发现了10个关键功能蛋白11个转录调控蛋白参与了与丝状真菌纤维素酶高效分泌相关的UPR信号通路,对以上关键蛋白功能的研究将是解析丝状真菌纤维素酶高效分泌的分子机制的基础。筛选出有效提高木质纤维素水解效率的协同因子：包括草酸青霉多糖单加氧酶（PMO）、木质素降解相关酶漆酶Lac A。在元基因组的研究中,发现了多个新的、有潜在协同效应的纤维素酶和半纤维素酶基因,并已经用于里氏木霉游离酶系的重构。

里氏木霉RL-P37尿嘧啶营养缺陷型菌株的构建

里氏木霉(Trichoderma reesei)RL-P37作为纤维素酶高产菌,被广泛地应用在工业蛋白的生产过程。从基因水平对工业菌株进行分子改造已经成为提升工业菌株生产性状的重要手段。因此,亟需构建适用于基因敲除以及外源蛋白表达的营养缺陷型菌株,特别是可用于基因无痕敲除的尿嘧啶营养缺陷型菌株。本研究以潮霉素为标记,成功构建了里氏木霉RL-P37尿嘧啶营养缺陷型菌株,并得到Southern验证。该菌株在含有1.5 mg/m L 5-氟乳清酸、2 mg/m L尿苷的MM培养基中可以正常生长,并且在不含有尿苷的MM培养基上不能生长。此外,利用粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)的pyr4基因对该突变体进行了回补。里氏木霉RL-P37尿嘧啶营养缺陷型菌株的构建为该菌纤维素酶表达和分泌的机理研究以及后续产酶性能分子改造奠定了物质基础。

浅谈我国煤矿三维地震资料振幅切片解释

地震资料的解释是地震勘探工作的最后阶段,它对取得良好的地质效果有着重要的意义。解释成果的正确与否将直接影响到矿产资源的勘探和开发。因此,解释工作受到特别的重视。鉴于三维地震资料常规解释方法的不足,本文论述了煤层波振幅切片的方法及其解释技术,对该技术在煤田三维地震小构造解释中的效果及应用前景做以阐述。

粗糙脉孢菌蛋白表达系统构建研究

旨在将模式丝状真菌粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)构建为蛋白质表达系统。通过真菌杂交技术构建出粗糙脉孢菌六突变缺失菌株LQ-1(Δ3βG∷Δ2cbh∷Δhis3)作为蛋白表达宿主菌株。该宿主菌株可以用纤维二糖作为诱导物诱导纤维素酶启动子表达,同时又消除了葡萄糖苷酶蛋白的背景条带,有利于目标蛋白表达纯化。构建了分别含有粗糙脉孢菌自身强启动子(Pcbh-1、Pcbh-2和Ptef-1)的3个新的高效表达载体,该载体带有融合标签蛋白tev-6×his-gfp,能高效方便的筛选阳性转化子,有利于后续目标蛋白纯化。以纤维素酶GH3-4和CBH-1为例,通过重组表达菌株纤维二糖诱导发酵液进行酶活测定、SDS-PAGE电泳分析和Western blotting检测显示,重组蛋白GH3-4-GFP和CBH-1-GFP成功进行了表达和分泌,分泌水平分别为2.77和2.83 mg/L。Pcbh-1启动子重组蛋白表达水平最高,说明在纤维二糖诱导体系中启动子Pcbh-1的启动效率最高,初步建立了粗糙脉孢菌纤维二糖诱导的蛋白质表达体系。

工业丝状真菌基因组编辑技术研究进展

丝状真菌(filamentous fungi)是广泛存在于自然界中的一类多细胞真核微生物,是酶制剂、有机酸、抗生素的核心生产体系,在生物技术中发挥着非常重要的作用。由于丝状真菌的生长发育较为复杂,其遗传体系和基因组编辑技术发展相对较慢,妨碍了丝状真菌基础研究和开发利用的快速发展。近年来,核酸酶介导的基因组编辑技术已经发展成为一种功能强大的基因组编辑工具,在生物技术领域的应用得到广泛关注,其中RNA介导的CRISPR系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)已经成为新一代基因组编辑技术体系。文章将对目前使用最为广泛的3种基因编辑系统,包括CRISPR-Cas技术的发展历程进行概述,对CRISPR-Cas技术在丝状真菌基因组编辑中的研发进行系统介绍,包括在工业丝状真菌中的研发应用,例如鉴定次级代谢产物的关键基因并提高次级代谢物的生产能力、将外源基因定点整合到基因组上从而提高异源蛋白的表达、遗传重构蛋白分泌途径提高工业酶的产量等,最后对CRISPR-Cas基因组编辑技术及其衍生系统在丝状真菌的真菌基因功能研究、代谢途径重构、精确表达调控、蛋白定向进化以及高性能底盘构建等方面进行了展望。

体外重构STUB1介导α-1抗胰蛋白酶突变体Z蛋白泛素化修饰反应体系

α-1抗胰蛋白酶Z型突变体蛋白(α-1 antitrypsin Z-mutant protein,ATZ)是引发α-1抗胰蛋白酶缺陷症(α-1 antitrypsin deficiency,AATD)的主要原因,研究ATZ蛋白的泛素化修饰和降解对于治疗AATD具有重要意义。STUB1是一种重要的E3泛素连接酶,参与调节多种蛋白质的泛素化修饰。然而,STUB1是否参与ATZ的泛素化修饰尚未明确。本研究首先将ATZ和STUB1的编码基因克隆到pET28a质粒,构建了这2个蛋白的表达质粒。随后,将重组质粒转入大肠杆菌表达系统,在优化诱导条件实现了重组蛋白的异源表达。通过金属螯合亲和层析技术纯化得到目的蛋白,并通过蛋白质谱分析验证了其氨基酸序列的准确性。利用纯化的ATZ和STUB1重组蛋白,构建了一个体外泛素化修饰反应体系。实验结果显示,在ATP、E1泛素激活酶和E2泛素结合酶的协同作用下,STUB1成功催化了ATZ的泛素化修饰。本研究提供了一种体外获得Z型突变体ATZ纯化蛋白的方法,并确认了STUB1介导ATZ的泛素化修饰功能,推进了对α-1抗胰蛋白酶Z型突变体蛋白在细胞内降解过程的调控机制的理解。

冷凉坝区水稻丰产栽培技术

云南省禄劝县九龙镇80%的水稻栽培在海拔1 900 m以上的冷凉坝区,由于海拔高,气温低,导致水稻产量偏低。通过多年来的试验示范,为冷凉坝区水稻丰产开辟了一条新的栽培途径。

不同栽插模式下水稻产量及构成因子的比较研究

以粳型水稻品种武凉43为试验材料,研究了3种栽插模式下群体产量及构成因子的差异。结果表明:采用蜂巢式栽插是最理想的栽插模式,它能彻底改善株间通风透光性,使个体充分发挥自由生长优势,植株地上、地下部分生长势旺,分蘖力增强,成穗率、结实率和千粒重均增加,比单行条栽增产效果明显,达极显著水平。

低碳生物合成:机遇与挑战

低碳生物合成以CO_(2)等可再生碳资源为原料,以生物体为工具进行物质合成,是节约化石原料的可持续路线,是现有化工、农业产品的替代性低碳生产新模式,是CO_(2)高效利用转化的工业碳汇新路径.目前低碳生物合成的产业影响力、技术经济性等还无法与传统路线竞争,CO_(2)等可再生碳资源的生物工业利用范围、转化效率、生物合成的工业能力等是亟待解决的关键科技问题.快速发展的工程生物学是对生物体结构和功能进行工程化设计再造的新生物学领域,正在推动生物学工程化新范式,将从根本上提升生物体将CO_(2)等可再生碳资源转化为生物基产品的能力,引发生物工业的颠覆式突破.针对碳达峰、碳中和战略目标实施,本文分析了低碳生物合成的发展机遇,综述了低碳生物合成国内外的科技进展与发展趋势,探讨了低碳生物合成的科技挑战与重点方向,最后对发展方向提出了相关建议.

嗜热毁丝霉高通量培养技术及其应用

【背景】丝状真菌是一类重要的工业发酵生产宿主菌,如何进行高通量纯菌培养和高效检测筛选性能优异的菌株是工业丝状真菌研究的重要方向。【目的】研究建立丝状真菌的高通量培养技术并测试应用效果。【方法】通过对丝状真菌培养过程中的制种、接种、培养和检测研究,建立基于孔板的高通量培养技术,并以嗜热毁丝霉为例对该技术进行验证。【结果】与传统的平板制种和摇瓶接种培养方式相比,高通量孔板的培养方式将制种通量提高24倍,单位面积产孢子能力提高350%,液体培养转接效率提高10−40倍,并建立96孔板测定乙醇含量的高通量检测技术。【结论】将丝状真菌的培养和检测通量提高1−2个数量级,为快速检测丝状真菌改造过程产生的大量性状不同菌株并获得目标菌株奠定基础,为丝状真菌高通量筛选研究提供应用指导价值。

真菌降解木质纤维素的功能基因组学研究进展

木质纤维素利用的核心问题之一是生物质的降解,即如何将生物质由高聚大分子降解为可发酵的小分子糖,又称为糖化。自然界中向胞外大量分泌降解生物质酶类的微生物主要是真菌,研究真菌木质纤维素降解途径的分子机理对生物质的综合利用意义重大,是木质纤维素能否实现全面生物炼制的关键之一。以下将针对真菌降解木质纤维素的研究进展,特别是对利用功能基因组学所取得的进展进行评述。

丝状真菌代谢工程研究进展

丝状真菌(Filamentous fungi)作为重要的工业发酵微生物,在有机酸、蛋白质及次级代谢产物等关键生物基产品生产方面发挥着重要作用。自20世纪90年代代谢工程理念提出以来,尤其是代谢工程使能技术的创新及发展,极大地促进了丝状真菌细胞工厂的构建及其在工业发酵领域的应用。文中将系统介绍近年来丝状真菌代谢工程技术的发展,及其在生物基化学品细胞工厂构建中的应用,最后讨论丝状真菌代谢工程中关键问题并展望其未来发展。

秸秆真菌降解转化与可再生化工

秸秆生物质是储量巨大的碳资源,我国每年可用的生物质资源接近10亿t,如果可以转化为燃料乙醇等生物基化学品,有望减少至少2亿t的原油进口量,因此发展秸秆生物转化生产燃料乙醇和大宗化学品是生物制造的核心组成。中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称“天津工业生物所”)自建所之初,便提出了“两个替代一个提升”,其中包括以可再生碳资源替代不可再生石化资源生产大宗化学品。发展秸秆生物转化是研究所的长期战略,建所10年来,在这一领域进行了持续系统地研究,取得了显著进展。本文重点综述真菌系统的生物质降解与转化,包括丝状真菌纤维素降解机理,生物质炼制整合路线研发等,实现了生物质一步转化燃料乙醇、苹果酸等多种大宗能源材料化学品。在可再生化工研究方面,重点介绍了丁二酸、乳酸等一批大宗有机酸,以可再生碳资源为原料进行生产的工业化进展,展示了生物制造替代石化路线生产大宗化学品的潜力。天津工业生物所在秸秆生物转化和可再生化工方面的研究,为我国建设发展低碳经济社会提供了有效参考路径,有望为我国实现双碳战略目标作出自己的独特贡献。

创新型国家

我们必须摆脱跟班式科研，走原始创新道路，想别人没想到的。做别人不敢做的。

粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)纤维素酶液体发酵培养基的优化

粗糙脉孢菌是天然纤维素降解真菌,具有产纤维素酶能力,国内外对其纤维素降解机理和发酵产酶有一定的研究,但对其产酶的条件优化研究得不多,其产酶潜力需要进一步挖掘。以粗糙脉孢菌基因组测序菌株FGSC 2489为对象,采用响应面分析法对Neurospora crassa摇瓶发酵产纤维素酶进行培养基优化。采用Plackett-Burman(PB)实验设计考察发酵培养基中关键参数对产酶条件的影响,进而采用最陡爬坡实验逼近最大响应区域,并结合中心组合实验(central composite design,CCD)和响应面分析法对两个显著因素进行分析。PB实验结果显示:Peptone、Yeast extract对产纤维素酶有显著影响。通过响应面分析得到一元二次方程,对方程求解得到Peptone 7.27g/L、Yeast extract 5.51g/L。采用该优化培养基,最大纤维素酶活可达1.27FPU/ml,较优化前提高了2.03倍;CMC酶活14.15IU/ml,比优化前提高1.88倍;木聚糖酶活24.13IU/ml,比优化前提高1.86倍;葡萄糖苷酶酶活1.22IU/ml比优化前提高2.08倍。

2014工业生物技术专刊序言

工业生物技术是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。本期专刊结合第七届中国工业生物技术发展高峰论坛,报道了我国工业生物技术领域专家学者在生物信息学、微生物细胞工厂的模拟设计与构建、工业发酵工程、工业酶的改造与应用、高通量筛选方法等领域取得的最新研究进展。

二氧化碳人工生物转化

二氧化碳(carbon dioxide,CO_(2))资源化利用是全球可持续发展面临的巨大挑战。自然界生物固碳绿色环保,但能效低、速度慢,难以满足工业生产需求;物理化学固碳效率高,但能耗高、产品单一,如何结合生物、物理与化学技术优势,以二氧化碳为原料进行生物转化利用是当前迫切需要解决的科技难题。本文结合中国科学院天津工业生物技术研究所建所10年来的发展,综述了人工固碳元件、途径与系统的设计与构建等前沿基础领域取得的重要进展,特别是首次实现二氧化碳人工合成淀粉,并对建立二氧化碳人工生物转化技术体系进行了展望。相关进展与展望为助力实现“碳达峰、碳中和”目标提供了新思路。