基于宏基因组测序技术解析高温快速发酵豆豉菌群结构与功能注释

为揭示高温快速发酵曲霉型豆豉菌群结构在发酵过程中的变化规律,分析不同发酵阶段菌群的基因功能分布及贡献度之间的差异,基于宏基因组学手段对高温快速发酵豆豉中菌群和功能多样性进行解析,从而揭示菌群结构变化与代谢功能分布规律。菌群结构多样性结果显示,经高温发酵的豆豉中98.9%~99.8%为细菌。发酵前期,魏斯氏菌(Weissella)、乳杆菌(Lactobacillus)、片球菌(Pediococcus)及肠球菌(Enterococcus)4个优势菌属均为乳酸菌,占比总和高达69.91%,而中后期则以拟杆菌属(Bacteroides)、普氏菌属(Prevotella)、肠球菌属等专性厌氧菌属为主;KEGG结果显示,与代谢相关基因占比超过50%,表明发酵过程代谢旺盛,其中碳水化合物代谢和氨基酸代谢为主要代谢通路;CAZy结果显示,糖苷水解酶和糖苷转移酶基因丰度最高,表明发酵过程中糖苷转移活跃,产生丰富的寡糖与单糖供菌群代谢利用。以上研究可为豆豉多菌混合发酵工艺的改进提供新视角,也为后续运用多组学技术探索豆豉微生物与功能风味物质形成的内在机制奠定基础。

后基因组时代的基因组功能注释

基因组功能注释是后基因组时代功能基因组学研究的热点领域 .从基因组功能注释的研究内容与研究手段出发 ,重点综述了生物信息学在该领域方法学上的研究进展 ,并展望了今后的发展前景 .

基于高通量测序的青花菜早期发育小孢子转录组分析与基因功能注释

为探明青花菜小孢子胚胎发育的分子生物学机制,本研究利用Illumina Hi Seq TM 2000平台对在32.5℃环境下分别培养17 h和24 h以及25℃环境下分别培养0、1和6 d的小孢子进行转录组分析及基因功能注释。结果表明,共获得174 324条Unigenes,其中有144 194条注释到GO、COG、KEGG、NR、Swissprot和Pfam数据库。GO注释显示,小孢子差异表达基因在细胞部分、细胞和细胞器、结合和催化活性、代谢过程、细胞过程和单一生物过程功能亚类中所占比较最高;功能分类中一般功能预测(R)、复制、重组与修复(L)、转录(K)、信号转导机制(T)和翻译后修饰、蛋白质周转、分子伴侣(O)在COG同源分类所占比例最高;KEGG注释结果表明,热击后小孢子差异基因最显著富集通路为内质网蛋白加工代谢途径、植物病原互作及植物激素信号转导剪接体途径。本试验结果为进一步深入研究青花菜小孢子胚胎发生的生理生化和分子机制奠定了理论基础。

基因功能注释——后基因组时代面临的挑战

在已经解序的、数以百计的生物基因组中,存在大量编码未知功能蛋白的基因序列。同时,众多已知功能的酶蛋白在解序的基因组中找不到对应的基因。确定未知功能基因的功能和寻找孤儿酶对应的基因是后基因组时代面临的极具挑战性的科学任务。本文综合讨论了目前基因组中基因功能注释存在的问题及解决这些问题的策略与方法。

Amycolatopsis sp.的全基因组测序及香兰素合成途径分析

拟无枝酸菌(Amycolatopsis sp.)CCTCC NO:M2011265是一株可以转化阿魏酸生成香兰素菌株,该研究利用Illumina Hiseq测序平台对拟无枝酸菌进行全基因组测序、拼接、基因预测及功能注释,并从拟无枝酸菌的全基因组中筛选和鉴定参与香兰素合成的功能基因。结果表明,总共组装得到64个scaffolds,整个基因组组装大小约为8425551 bp,总GC含量为71.89%。通过生物信息学分析发现了香兰素合成关键基因ech、fcs和ech2基因,及香兰素分解代谢基因vdh基因,其中ech和fcs为一个基因簇,并进一步构建过表达ech-fcs-ech2菌株,其摇瓶发酵表明转化阿魏酸生成香兰素速率加快,发酵时间显著缩短。该研究获得的拟无枝酸菌的全基因组信息为解析其转化阿魏酸生成香兰素发酵过程中的代谢机理提供遗传信息基础,也为通过代谢工程获得高产香兰素菌株的研究提供理论支持。

西藏牦牛源牛支原体T10株全基因组测序及其序列分析

旨在进一步完善牛支原体全基因组数据库,阐明其生物学功能和遗传进化关系,对西藏牦牛源牛支原体T10株进行了全基因组测序及其序列分析。使用Nanopore和Illumina PE150测序平台对T10株进行全基因组序列测定,利用生物信息学对其进行基因组特征分析和利用基因系统进化树与国内外分离株进行遗传进化关系比对。基因测序结果显示,T10株全基因组大小为987 812 bp, GC含量为29.27%,预测到822个编码基因,编码基因总长度为709 129 bp;通过功能数据库注释结果显示,注释到与膜转运蛋白相关基因22个,碳水化合物酶相关基因7个、糖基转移酶类相关基因4个,分泌蛋白基因相关43个、T3SS效应蛋白相关基因51个,病原与宿主互作相关基因28个,细菌毒力相关基因14个,抗性相关基因10个;通过比较基因组学分析结果显示,T10与08M、CQ-W70、Hubei-1、Ningxia-1和PG45均存在氨基酸突变和基因片段的插入或缺失,以及基因家族数量的差异,其中基因家族数量差异在8~32个。通过遗传进化关系分析结果显示:T10与HB0801、16M、Hubei-1、CQ-W70、NM2012、Ningxia-1、08M、JF4278、KG4397和PG45均在同一分支,但与PG1、PG2处于不同分支,其中与HB0801亲缘关系最近,与PG45亲缘关系较远。本研究不仅完善了牛支原体全基因组数据库,详细阐述了与致病性相关基因,还充分阐明了T10株以及与国内外其他牛支原体之间的遗传进化关系,明确了T10株基本基因组信息以及与国内外菌株亲缘关系,为后续进行致病机制以及疫苗研究提供理论依据。

一株猪源德尔卑沙门氏菌的分离鉴定、生物学特性以及全基因组序列分析

沙门氏菌作为人畜共患的致病菌,更是极易产生耐药性,严重影响了人类与动物的健康。为了更好的了解动物源性沙门氏菌的生物学和分子特性。对安徽凤阳县某市场猪肉样本进行细菌分离纯化、血清型鉴定、药敏实验和毒力基因检测,同时通过全基因组测序结果进行毒力、耐药基因注释等分子生物学信息分析,并通过qPCR对毒力基因进行验证。分离鉴定出1株德尔卑沙门氏菌,分子分型为ST1498型,将其命名为G-1B,该菌株对环丙沙星、卡那霉素和复方新诺明敏感。全基因组长度为4 805 494 bp,预测出4 660个基因,其中包含559个毒力基因与37个耐药基因。该研究为了解猪源德尔卑沙门氏菌的遗传背景和生物学特性奠定了基础,为进一步探讨德尔卑沙门氏菌致病性、耐药机制和分子进化规律提供参考依据。

芝麻产量相关性状全基因组关联分析

以294份遗传多样性丰富的芝麻种质资源为试验材料,于2014年调查驻马店市、商丘市、南阳市3个地点的株高、始蒴高度、单株蒴数、蒴粒数、千粒质量、单株产量等6个产量相关性状,结合33 027个SNP标记,使用混合线性模型进行全基因组关联分析,对重复检测到的显著SNP位点两侧99 kb区域内挖掘所有功能注释基因,根据注释信息找寻与目标性状相关的基因,并进行功能富集分析。结果表明,6个性状存在广泛变异,3个环境下变异系数表现为单株产量和单株蒴数>始蒴高度>蒴粒数>千粒质量>株高。6个性状均呈现正态分布,广义遗传力为44.07%~85.49%。经关联分析共检测到171个显著关联位点,表型变异解释率为5.46%~11.56%。在驻马店和商丘共同检测到6个与蒴粒数显著关联的位点,在其侧翼各99 kb区域内共挖掘到118个功能注释基因,其中SIN_1012613基因与拟南芥CKI1(AT2G47430)是同源基因,该基因可能通过调控雌配子的发育来决定芝麻蒴粒数。本研究结果有助于解析芝麻产量相关性状的遗传机制,为芝麻产量的遗传改良奠定理论基础。

功能基因分析辅助筛选产双乙酰和乙偶姻乳酸菌

研究8株分离自内蒙古奶豆腐和西藏灵菇的乳酸菌产双乙酰和乙偶姻特性,通过全基因组注释分析,确定各菌株与双乙酰、乙偶姻等风味物质相关的6个基因。发酵乳双乙酰含量检测显示,嗜热链球菌GST-6、鼠李糖乳杆菌5-1和副干酪乳杆菌N1115的双乙酰产量较高(P<0.05),分别为0.72、0.53μg/mL和0.47μg/mL;加入柠檬酸后产量为6.23、5.28μg/mL和4.47μg/mL。与基因的关联统计分析结果显示,草酰乙酸脱羧酶基因与双乙酰产量高度相关,Pearson相关系数为0.898(P<0.01),乳酸脱氢酶基因和乙酰乳酸合成酶基因与产量相关性不显著(P>0.05)。乙偶姻产量与6个功能基因的关系不显著(P>0.05)。气相色谱-质谱法检测各菌株发酵乳的挥发性化合物组成,共检测到24种挥发性风味化合物,主成分分析显示有机酸、乙偶姻和双乙酰可能是形成菌株特征性风味的主要原因,2-庚酮和2-壬酮对各样品的挥发性风味也有较大贡献。

滇白前种子转录组测序及功能注释

采用高通量测序技术平台Illumina Novaseq 6000对滇白前种子进行转录组测序,共获得平均长度为753.9 bp的43663个Unigenes。注释到六大功能数据库(NR,COG,Pfam,Swiss-Prot,GO,KEGG)上的Unigene总数为29177个。滇白前Unigenes比对到NR数据库共有26688条,与甜菜、藜麦、栓皮栎、菠菜有较高同源性;25657条Unigenes在COG数据库得到26500个注释,分为23类;19942条Unigenes在GO数据库得到79481个注释,按功能分为细胞组分、分子功能和生物过程三大类,分别有13、16、23个亚类,其中参与的生物过程较多;11527条Unigene富集在KEGG数据库的101条代谢通路中,代谢相关的通路占比最大。同时,有527个Unigenes被注释为转录因子;有3995条SSR标记被挖掘。利用高通量测序获得滇白前转录组信息,有助于从分子水平对滇白前进行深入研究。

中国明对虾和中华绒螯蟹EST的Blast2GO注释及其在免疫基因分布研究中的应用

以dbEST数据库中公布的中国明对虾和中华绒螯蟹的EST序列作为数据源,利用CAP3对其进行聚类拼接,采用Blast2GO软件进行功能注释,并通过查找免疫相关的GO注释和检索免疫关键词的方法寻找免疫相关基因,经与不同物种免疫基因的比较,推测可能的免疫基因序列,并进一步分析免疫基因在不同组织和细胞中的分布.结果表明,通过注释和关键词进行筛选这2种方法具有较好的互补性;预测了位于中国明对虾头胸部的60个可能的免疫基因以及位于中华绒螯蟹血细胞hemocyte、haemocyte、肝胰腺、性腺和精巢中的250个免疫基因,这些基因包括模式识别受体、抗氧化蛋白、抗菌肽、凝集素等,其中部分参与酚氧化酶原激活系统、Toll信号通路等重要免疫过程.中华绒螯蟹血细胞中具有种类丰富的免疫基因,与已有的甲壳动物免疫系统相符合.肝胰腺中发现了模式识别蛋白、蛋白酶以及数量众多的凝集素种类,提示肝胰腺在免疫过程中也发挥了一定作用.

杜鹃花叶片转录组测序数据组装及功能注释

采用2代Illumina Hi-Seq测序技术对2年生杜鹃花白凤4号(Rhododendron pulchurum cv.Bai Feng 4)扦插苗叶片的转录组进行测序,获得了213 723 424条Clean reads数据,经过质控和De novo。组装共获得平均长度为930 nt的53 568个Unigenes。与Nr、Swiss-Prot、KOG、KEGG四大数据库进行BLAST信息比对(Evalue≤10^(-5)),共获得28 877个注释基因。与Nr数据库序列同源性比较发现,杜鹃花与葡萄(Vitis vinifera)具有较高的同源性,而与其他物种的同源性较低。杜鹃花转录组的Unigenes在KOG数据库比对上30 508个注释,分为25类。在GO数据库比对上17 218个Unigenes,其中与抗逆有关的Unigenes有11 928个。在KEGG数据库的132条代谢通路中富集了6 475个杜鹃花Unigenes,其中注释到植物激素生物合成代谢途径和信号转导途径的有384个。同时,有1 062个Unigenes被注释为转录因子,有8 738条SSR标记被挖掘。

加权基因共表达网络分析方法及其应用

近年来,随着基因测序技术的高速发展,获取基因表达量的数据越来越容易,相应的数据分析方法也应运而生。在众多的分析方法中,加权基因共表达网络分析(Weighted Gene Co-expression Network Analysis,WGCNA)能对多个样本的众多基因进行综合分析,并能进行表型关联分析,相比于单基因的研究模式更具优势。该文对WGCNA的构建、分析及其在疾病研究、生理功能研究和基因功能注释3方面的应用进行总结和论述。

1株产VB_(12)球形赖氨酸芽孢杆菌C5.1的分离、全基因组测序及分析

为深入探究球形赖氨酸芽孢杆菌C5.1(Lysinibacillus sphaericus C5.1)菌株产VB_(12)的作用机制,利用PacBio Sequel和Illumina NovaSeq PE150相结合的方法对C5.1菌株进行全基因组测序,并对测序数据进行拼接、基因预测及功能注释。结果表明,C5.1菌株基因组为一个环状DNA,不含质粒,大小为4690817 bp,GC含量为37.21%,预测得到4756个编码基因,111个tRNA基因和34个rRNA基因。通过基因本体论、直系同源集、京都基因与基因组百科全书和转运蛋白分类数据库对C5.1菌株基因组进行注释分析,分别匹配到3095、3182、4374个和397个基因。进一步分析发现C5.1菌株基因组中包含从尿卟啉原Ⅲ逐步转化合成VB_(12)的关键酶。本研究为解析C5.1菌株在臭腐乳发酵过程中的代谢机理提供遗传信息基础,也为今后开展发酵食品中VB_(12)的生物合成机制研究提供理论支撑。

1株牦牛乳源产细菌素融合魏斯氏菌ZW21全基因组测序及序列分析

融合魏斯氏菌(Weissella confusa)ZW21是1株具有良好抗菌活性的牦牛乳源乳酸菌,为探索其抗菌机理,分析其全基因组序列并挖掘该菌株的抗菌等功能特性基因。本研究基于Illumina NovaSeq PE150平台对W.confusa ZW21进行全基因组测序分析,并采用基因功能、京都基因与基因组百科全书、蛋白质直系同源簇、非冗余蛋白、碳水化合物活性酶数据库、转运蛋白分类数据库进行基因组基本功能注释。结果表明:W.confusa ZW21的基因组大小为2.44 Mb,GC含量45.66%;预测到2175个编码基因,编码基因总长度为1947771 bp,平均长度为896 bp;通过功能数据库对该菌株基因组基本功能注释和代谢通路基因信息注释可知,基因组中含有8种细菌素(如大肠菌素V和乳球菌素)相关基因、3种与抗氧化活性相关基因,以及可调控免疫和炎症信号通路(如核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白受体信号通路、过氧化物酶体增殖物激活受体信号通路)和编码抗叶酸的基因。综上,W.confusa ZW21全基因组测序及分析为研究其抗菌机理提供基础。

牦牛源产细菌素屎肠球菌SWUN5732基因组测序及抑菌相关基因分析

【目的】本研究旨在通过研究1株牦牛源产细菌素屎肠球菌SWUN5732的基因组序列,发掘该菌种的关键功能性特征基因。【方法】通过Illumina PE150测序系统,对屎肠球菌SWUN5732进行基因组测序,并在GO、KEGG、COG和NR数据库对基因组的基本功能特征进行注释,结合NR数据库的注释,挖掘出基因组中潜在的抗菌、抗氧化和抑菌肽相关基因。【结果】屎肠球菌SWUN5732的基因组大小为2824168 bp,有效平均GC含量约为38.09%;可检测到的编码基因数量约为2919个,全部编码基因总长度约为2387787 bp,平均长度约为818 bp。在GO数据库中SWUN5732基因组一共有8851个基因得到注释,分别注释到分子功能、细胞组分和生物过程三大类45个条目;在KEGG数据库中SWUN5732基因组共有1534个基因被注释,分别为细胞过程、环境信息处理、遗传信息处理、人类疾病、新陈代谢和生物体系统6大功能38个通路;在COG数据库中,SWUN5732基因组共有2118个基因被注释,在基因组中还包含4个有ABC型氨基酸转运系统(渗透酶组分)的功能序列和具有重复ATP酶结构域的ABC转运蛋白的序列;通过NR数据库对屎肠球菌SWUN5732的功能注释,一共有2844个基因得到注释,发现SWUN5732基因组中包含抗菌物质、抗氧化物质和抑菌肽类相关基因。系统进化树分析结果表明,该菌株与ATCC 19434的进化关系最为接近。【结论】本研究完成对牦牛源产细菌素屎肠球菌SWUN5732基因组测序和潜在抑菌物质挖掘,证实该菌株具有耐酸耐胆盐环境适应性并探究了抗氧化、免疫调控、产细菌素和抗菌物质相关基因,为此菌株作为抗生素替代品或饲料益生菌添加剂提供了可靠的依据。

长双歧杆菌W13的全基因组序列分析

长双歧杆菌由于其具有的益生功能而备受关注,该文旨在基于全基因组分析,揭示长双歧杆菌W13(Bifidobacterium longum W13)的基因特性,分析其功能基因和代谢通路。结果表明,长双歧杆菌W13隶属于长亚种,通过直系同源蛋白分组比对(evolutionary genealogy of genes:non-supervised orthologous groups,eggNOG)数据库注释,发现氨基酸代谢、碳水化合物代谢是该菌株的主要代谢功能;通过京都基因和基因组百科全书(kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)数据库注释,发现菌株中含有较多的群体感应相关基因,表明该菌株可促进肠道稳态。通过碳水化合物活性酶(carbohydrate-active enzymes,CAZy)数据库注释,发现该菌株具有较高的糖合成能力。最后,通过比较基因组分析,发现长双歧杆菌长亚种的遗传多样性和稳定性较高,相较于其他长双歧杆菌长亚种,菌株W13含有其特定的功能基因。综上表明菌株W13具有一定的益生功能,有开发为益生菌的潜力。

腐乳中雅致放射毛霉的全基因组测序及比较分析

雅致放射毛霉是腐乳发酵最常用的毛霉之一,然而到目前为止有关其基因组的信息仍然较少。因此该研究旨在完善雅致放射毛霉(Acitinomucor elegans)CJ-6的全基因组信息并从基因水平分析其在腐乳发酵过程中的安全性和可能的代谢途径。该研究使用从头测序技术对雅致放射毛霉进行全基因组测序及基因功能注释。雅致放射毛霉具有丰富的碳源、风味前体氨基酸及脂肪代谢途径,这对腐乳发酵过程中的风味形成具有重要意义。此外,从次级代谢产物分析结果来看,雅致放射毛霉不具备产生致病性物质的能力。该研究获得的雅致放射毛霉CJ-6的基因组信息有助于我们了解该菌种潜在的产毒能力,评估其在腐乳发酵过程中的安全性,有利于进一步研究其次生代谢产物的生物合成并更好地调控腐乳风味。

一株高效降解血液蛋白的枯草芽孢杆菌NWMCC0137全基因组测序及分析

NWMCC0137是从屠宰场下水道污泥中分离获得的1株高效分解血液蛋白并具有良好生物防控特性的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)。为探究枯草芽孢杆菌NWMCC0137(B.subtilis NWMCC0137)高效水解血液蛋白机制及挖掘次级代谢产物编码基因资源,利用DNBSEQ与PacBio测序平台对其进行全基因组测序并进行序列组装和基因预测、功能注释、比较基因组分析。结果表明B.subtilis NWMCC0137的基因组长度为4215585 bp,G+C含量为44.23%;编码基因总长度为3711885 bp,编码4384个基因,编码序列占整个基因组长度的88.05%,非编码RNA中包含85个tRNA基因。在KEGG数据库中B.subtilis NWMCC0137基因组被注释到7种胞外蛋白酶编码基因,其中与丝氨酸蛋白酶相关的编码基因有8个。通过antiSMASH预测发现,菌株NWMCC0137基因组中包含7种与已知次生代谢产物合成基因簇相似度为100%的基因簇,包括产孢致死因子、聚酮类化合物、丰原素、枯草芽孢杆菌素168、儿茶酚型嗜铁素、芽孢杆菌素、杆菌溶素合成基因簇。进化分析结果表明,NWMCC0137为枯草芽孢杆菌,并且与枯草芽孢杆菌168具有很高的共线性。B.subtilis NWMCC0137基因组序列已提交至GenBank数据库,登录号为CP103066。本研究从基因层面揭示了菌株NWMCC0137的遗传信息,为该菌株应用于屠宰场血液蛋白降解及生物防控提供了参考。

‘库尔勒香梨’脱萼组与宿萼组样品差异表达基因的筛选

【目的】系统研究‘库尔勒香梨’脱萼组和宿萼组花器官的转录组表达情况,筛选2者之间的差异表达基因,为进一步阐明‘库尔勒香梨’萼片脱落与宿存分子机理奠定基础。【方法】采用Illumina高通量测序技术对‘库尔勒香梨’脱萼组和宿萼组代表样品进行测序,利用生物信息学方法筛选2者的差异表达基因和进行功能基因预测。【结果】Trinity法拼接后得到48 894条unigenes序列,从中选取了2组样品中共表达和单独表达的SPL转录因子进行了功能探究,发现3条unigenes可能与萼片发育有关。筛选的差异表达基因获得了Gene Ontology和KEGG数据库的注释,涉及植物激素信号转导、光合代谢、苯丙氨酸代谢、芳香族化合物合成、细胞发育等与萼片发育相关过程。【结论】筛出了2组样品的差异表达基因,获得了与萼片发育相关的基因及其对应的功能注释,为今后进一步研究‘库尔勒香梨’萼片脱落与宿存分子机理奠定了良好基础。