利用宏转录组学技术分析酸马奶发酵过程中活性微生物功能基因表达的变化特征

[目的]探究酸马奶不同发酵时期活性微生物功能基因表达的变化特征。[方法]收集发酵初期(12 h)、中期(48 h)、后期(96 h)酸马奶样品,构建宏转录组文库,进行RNA-Seq高通量测序;对测序数据进行组装和功能注释后,分析差异表达基因,确定GO和KEGG信号通路中显著差异表达基因的静态富集。[结果]3个发酵时期酸马奶样品的宏转录组高通量测序共产生12.17 GB的高质量短序列。序列组装后进行数据分析,发现酸马奶发酵过程中代谢过程相关基因表达占主导地位。差异表达基因的筛选与分析显示,发酵前期、中期、后期酸马奶样品间两两相比,下调表达基因数量多于上调表达基因数量。GO功能富集分析显示,发酵初期与中期酸马奶样品间差异表达基因高度富集的GO条目是细胞过程、代谢过程、有机环状化合物结合、杂环化合物结合;发酵中期与后期样品间差异表达基因高度富集的GO条目是细胞过程、细胞大分子代谢过程;发酵初期与后期样品间差异表达基因高度富集的GO条目主要涉及细胞过程、有机物质代谢过程、核苷结合、核糖核苷结合、嘌呤核苷酸结合。KEGG通路富集分析显示,发酵前期与中期酸马奶样品间仅有1条差异表达基因显著富集的信号通路,即核糖体通路;发酵中期与后期酸马奶样品间差异表达基因显著富集的信号通路包括醚酯代谢、氨基苯甲酸降解、mRNA监测途径、类固醇生物合成;发酵前期与后期酸马奶样品间差异表达基因显著富集的信号通路包括类固醇生物合成、氨基苯甲酸降解、mRNA监测途径、核糖体、乙苯降解。[结论]酸马奶发酵过程中涉及活性微生物多种功能基因的差异表达,不同发酵时期活性微生物功能基因的差异表达呈现动态变化。研究结果为深入了解酸马奶发酵机制、优化酸马奶发酵工艺提供了参考。

复配菌群降解煤产甲烷的宏基因组与宏转录组分析

【目的】芳香化合物代谢是微生物降解煤产甲烷的限制因素。为了提高煤的生物甲烷产量,经过富集、驯化获得煤降解产甲烷菌群(RI)和菲降解功能菌群,并通过二者配伍获得复配菌群(CM)。【方法】采用宏基因组与宏转录组相结合方法分析CM与RI的菌群结构及代谢途径的异同。【结果】复配后菌群的甲烷产量明显提高,增产114.55%。复配显著提高了芳香化合物降解菌的占比,如Pseudomonas的占比高达63.49%;同时提高了优势菌的代谢活性以及芳香化合物代谢途径中各关键酶的合成和表达。CM中芳香族化合物降解途径的基因丰度是RI的1.65倍,基因表达丰度是RI的6.34倍(P<0.05)。其中,关键酶EC:1.13.11.2基因丰度和表达丰度分别是RI的2.24、62倍。这些酶表达丰度的增加促使更多的芳香族化合物代谢为丙酮酸。复配同时增强了丙酮酸代谢为乙酰辅酶A过程的基因表达,该代谢途径中关键酶EC:1.2.4.1的表达丰度在CM中可达到RI的14.70倍。CM中各产甲烷途径的基因表达丰度也高于RI,是RI的2.66-7.10倍。【结论】复配富集了芳香化合物降解菌,并显著提高了芳香化合物降解产甲烷整个代谢途径中基因丰度,尤其是基因表达丰度,从而提高甲烷产量。

宏转录组测序技术在一起仔猪病毒性腹泻疾病诊断中的运用及分析

为了确定2023年春季广西贺州地区猪场仔猪腹泻病原,采用宏转录组测序技术筛查该地区猪群发病和感染情况,为当地仔猪腹泻疾病的防控提供依据。采集2023年3月广西贺州地区10 km范围内6个相邻并同时暴发腹泻的猪场仔猪的肛拭子和粪便,运用MGISEQ 200测序平台进行宏转录组测序开展猪病原感染组学研究,系统性地筛查该区域仔猪腹泻的病原谱,使用实时荧光定量RT-PCR对最主要病毒进行确认,定量分析各病原的丰度并选取鉴定到的病毒基因序列进行系统发育分析,Pearson分析解析病原混合感染的相关性。结果显示:通过宏转录组测序技术在这些样品中共检测到17种致病性细菌、12种病毒和3种寄生虫。病毒以猪流行性腹泻病毒(porcine epidemic diarrhea virus, PEDV)代表的腹泻相关病毒为主,包括猪札幌病毒(porcine sapovirus, SaV)、猪嵴病毒(porcine kobuvirus, PKV)、猪星状病毒(porcine astrovirus, PAstV)、猪猴禽猪肠病毒(porcine sapelovirus, PSV)、轮状病毒A(rotavirus, RVA)等;细菌主要包括3种肠杆菌科(Enterobacteriaceae)、3种乳杆菌科(Lactobacillaceae)、2种芽胞杆菌科(Bacillaceae)等;寄生虫包括两种滴虫和碘阿米巴原虫。来自5个场区的PEDV刺突基因(spike gene,S基因)系统发育分析显示,毒株均属于G2c簇群,毒株之间核苷酸相似性为99.99%,毒株S基因存在重组情况;其中,一发病猪场还检测到P[6]基因型的rotavirus A部分VP4序列,与人源轮状病毒的核苷酸相似性最高。此外,在4个猪场检测到2种以上的仔猪腹泻相关病毒,系统发育分析结果提示,此区域存在腹泻病原多谱系共同流行的情况。病原相关性分析显示,PEDV/PSV(P<0.001)、PEDV/猪环曲病毒(porcine torovirus, PToV)(P<0.001)和PEDV/PAstV(P<0.05)有显著的负相关,而PEDV/PKV(P<0.05)有显著的正相关。以上结果提示,在该地区相邻养殖区域中,仔猪腹泻的病原谱具有多样性,其中,直接致病病原是PEDV,同时,PEDV与样品中其他腹泻相关病毒之间存在关联。本研究较为全面地展示该地区仔猪腹泻病原的感染谱,并鉴定出导致腹泻发生最直接的病原体;同时也能分析小范围养殖区域内腹泻相关病原的相关性,为该区域仔猪腹泻疾病防控提供更加精准的参考和指导。

基于宏转录组学技术解析传统酸面团中微生物代谢机理

以传统酸面团Sx样品为研究对象,利用宏转录组学技术解析Sx样品在发酵不同时期的优势菌种的变化、关键功能基因注释及代谢途径等。研究结果显示:Sx样品中参与发酵的微生物大约有210个种水平物种信息,以乳杆菌属(Lactobacillus)与酵母菌属(Saccharomyces)为优势菌属,以旧金山乳杆菌(Lactobacillus sanfranciscensis)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)为优势菌种。通过对Sx样品不同发酵时期中菌种差异表达基因进行分析发现,参与碳水化合物及半乳糖的代谢过程相关的差异基因呈极显著富集(P<0.001)。本实验有望阐明传统面食发酵过程中微生物代谢机理,为传统发酵面食工业化发展提供借鉴。

宏转录组学在微生物生态学研究中的应用

宏转录组学是一门在整体水平上研究某一特定环境、特定时期群体生物全基因组转录情况以及转录调控规律的学科。概述了新兴的宏转录组学在微生物生态学研究中的进展,并总结了其与微生物宏基因组学研究方法相比的优缺点。宏转录组学是一种新颖有效的方法,在微生物生态学,甚至在复杂微生物群落的生态学研究中都具有广阔的应用前景。

普洱茶不同发酵时期微生物群落宏转录组学研究

分离提取了普洱茶发酵前期和发酵中期茶叶样本中的微生物菌群全mRNA,并通过Illumina测序得到普洱茶发酵前期17376转录文本结果以及普洱茶发酵中期14456个转录文本结果。对测序结果的注释结果表明黑曲霉(Aspergillus niger)在两个阶段都占有绝对优势;对两个样本差异表达部分GO功能和KEGG PATHWAY的对比分析表明,适应渥堆发酵环境变化的微生物(如黑曲霉等)对普洱茶发酵过程起到了决定性的作用。

基于宏转录组学技术对豆酱中活菌群落分析方法的建立

基于宏转录组学技术建立分析自然发酵豆酱中活菌群落的方法,并对比分析豆酱在发酵初期和末期的活菌群落结构及功能。通过比较,确立在4℃、8000 r/min离心5 min后弃上清液的样品预处理方法,其所提取的RNA质量浓度、纯度和总量更高。高通量测序结果表明,细菌在酱醪发酵阶段起主导作用,主要的细菌属为四联球菌属(Tetragenococcus)和乳杆菌属(Lactobacillus)。真菌仅在发酵初期有一定丰度,发酵末期时丰度很低。菌群功能主要集中在碳水化合物和氨基酸的代谢,且大多富集在发酵末期。研究结果在物种和功能层面上具有一致性,为揭示豆酱发酵过程中真正发挥作用的微生物和优良发酵菌种的选育提供新的研究方法和技术支持。

基于宏转录组学解析不同贮藏时期冷鲜滩羊肉微生物代谢过程

以托盘密封包装的冷鲜滩羊肉表面微生物为研究对象,利用宏转录组学技术解析0、4、8 d三个贮藏时期微生物基因组差异转录、代谢途径与3个贮藏时期微生物群落演替的关系。结果表明:3个贮藏时期的冷鲜滩羊肉微生物差异表达基因数分别为429、15、1 529个。通过对这些微生物差异表达基因进行KEGG代谢途径富集分析发现,参与核苷酸代谢、脂质代谢、能量代谢、碳水化合物代谢以及氨基酸代谢相关过程的差异表达基因显著富集,说明这几种代谢途径在滩羊肉微生物的演替过程中占据重要地位。在3个贮藏时期,变形菌门都是优势微生物,变形菌门下的假单胞菌属和肠杆菌科利用贮藏环境中的氧气与滩羊肉中的葡萄糖为碳源,迅速生长繁殖,成为最主要的优势微生物。随贮藏时间延长,氧气被消耗殆尽,且滩羊肉的pH值降低,使得乳酸菌迅速生长,成为仅次于假单胞菌、肠杆菌的优势微生物。研究结果可以为冷鲜滩羊肉贮藏期间微生物及肉品质量预报、控制技术研发提供理论参考。

宏转录组技术及其研究进展

宏转录组学是一门在整体水平上研究某一特定环境、特定时期群体生物全部基因组转录情况以及转录调控规律的学科。简要概述宏转录组学的产生、研究策略及其应用情况,并对其应用前景进行展望。

基于宏转录组学技术解析工业豇豆泡菜发酵过程中活性微生物群落结构变化

利用宏转录组学技术解析了工业豇豆泡菜在发酵过程中活性微生物的群落结构组成并进行了功能基因注释。结果表明,乳杆菌属(Lactobacillus)、Starmerella、片球菌属(Pediococcus)、魏斯氏菌属(Weissella)、Millerozyma和Sugiyamaella是工业豇豆泡菜发酵过程中的主要活性菌属。其中,乳杆菌属(Lactobacillus)在发酵前中期起主导作用,随着发酵进行,乳杆菌属的相对丰度逐渐降低而Starmerella的相对丰度上升,成为发酵后期的绝对优势活菌属。在KEGG功能注释方面,整体上,发酵过程中有关代谢的基因表达量最高,其中以碳水化合物代谢为主。研究结果揭示了工业豇豆泡菜发酵过程中真正发挥作用的活性菌群组成,为工业泡菜发酵机理解析及发酵过程控制提供了一定理论基础。

基于宏转录组学技术解析浓香型酒醅活性微生物群落结构及功能变化特征

利用宏转录组学技术解析浓香型白酒主发酵期过程中(3、7、25 d)酒醅活性生物群落的多样性、演替及差异转录基因。结果表明,酒醅活性生物群落由6个界、124个门、195个纲、2824个属及部分未知和不可鉴定的种属组成,其中可鉴定生物主要由细菌和真菌组成。随着发酵时间延长,真菌相对含量由42.8%降至0.01%,细菌相对含量由17.7%增至56.3%,其中厚壁菌门和子囊菌门分别是驱动细菌和真菌组成变化的主要菌门。3个发酵节点的酒醅生物差异表达基因数分别为6895(3 d vs 7 d)、2640(7 d vs 25 d)和6124(3 d vs 25 d)。发酵过程中,下调差异基因数量明显多于上调差异基因数量。发酵3~7 d,酒醅微生物上调的差异基因显著富集到与糖和醇类化合物代谢的功能条目,而在整个主发酵期,下调的差异基因主要富集到与细胞组分或与其相关的生物过程条目中。本研究有助于进一步阐明浓香型酒醅复杂生态体系中活性微生物群落结构、演替和功能,为深入揭示浓香型白酒固态酿造机理提供基础数据和理论支撑。

基于宏基因组和宏转录组的发酵食品微生物研究进展

揭示传统发酵食品中微生物群落结构特征、演替变化规律和功能基因是多年来科学研究和工业生产共同关注的焦点。近年来,高通量测序技术以其高效和相对廉价的优势,成为传统发酵食品微生物研究的重要工具。本文从高通量测序技术的基因组和转录组层面的研究出发,综述了近8年来宏基因组学与宏转录组学在研究发酵食品微生物群落结构、相互作用及挖掘功能基因等方面的进展,并分析讨论其面临的主要问题和发展趋势,为未来发酵食品的科学研究和工业生产提供一定参考。

宏转录组学在环境微生物生态学中的应用

系统总结了宏转录组学实验操作及数据分析流程,概述了宏转录组学在环境微生物生态学的研究策略和最新进展,并指出其应用前景.宏转录组学在解析环境微生物群落功能上具有广阔的前景,为了解微生物群落的动态演化及其与环境因素和生态系统功能的关系提供了强有力的工具.

大熊猫粪便中微生物与寄生虫的宏转录组学分析

旨在探究大熊猫粪便中微生物组成以及耐药基因和寄生虫的真实情况。采集6只健康成年大熊猫的新鲜粪便,利用宏转录组学测序技术分析大熊猫粪便微生物组成及功能、耐药基因种类、丰度和寄生虫的组成,探讨优势细菌与耐药基因的相关性。结果表明,大熊猫粪便内微生物种类多样,包括细菌、真菌和病毒等,但以细菌为主。在门水平上,细菌类群中厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)为优势菌门,在真菌菌门中担子菌门(Basidiomycota)、子囊菌门(Ascomycota)和毛霉亚门(Mucoromycota)相对丰度较高,雌性和雄性大熊猫粪便菌群丰度没有显著性差异(P>0.05)。Unigenes功能分析表明,大熊猫粪便微生物的功能主要涉及碳水化合物、氨基酸代谢等过程。在大熊猫粪便中共检测出25大类、304种耐药基因,其中,外排泵类基因的种类最多、相对丰度最高。此外,在大熊猫粪便中共发现63属126种寄生虫,寄生虫种包括线虫、绦虫和吸虫,其中,线虫为优势虫种。通过相关性分析发现,链球菌属(Streptococcus)、埃希杆菌属(Escherichia)、肠球菌属(Enterococcus)、苏黎世杆菌属(Turicibacter)与外排泵类、喹诺酮类、四环素类、糖肽类、多肽类和磺胺类耐药基因呈显著正相关性(P<0.05)。本研究从宏转录组水平揭示了大熊猫粪便中微生物、耐药基因组成以及寄生虫种类,对大熊猫微生物相关疾病和寄生虫病防控具有重要意义。

基于宏转录组学的浓香型白酒酒醅活性微生物群落空间异质性研究

采用宏转录组学技术,对浓香型白酒酒醅中具有生理活性的细菌和真菌群落在窖池不同空间位置上的组成及差异表达基因进行研究。结果表明:细菌群落共检测到87个门、78个纲、165个目、396个科、1612个属和7234个种,真菌群落共检测到8个门、26个纲、58个目、127个科、223个属和394个种,且酒醅上、中、下层之间的活性微生物数目差异较小;各层酒醅中的细菌和真菌群落组成无明显差异,均以厚壁菌门和子囊菌门为主要优势细菌门和真菌门,以芽孢杆菌纲和酵母纲为主要优势细菌纲和真菌纲,以乳杆菌属为主要优势细菌属,以酵母菌属(上层和下层)或Scheffersomyces(中层)为主要优势真菌属;下层与中层酒醅、中层与上层酒醅之间的差异表达基因数量较多,分别为90个和67个,且主要富集在RNA降解和糖酵解/糖异生通路上,而各层酒醅之间的差异表达基因的功能大部分为代谢活动;整体上,中层酒醅中的活性微生物菌群对RNA降解的影响最低,下层酒醅中的活性微生物菌群在代谢活动上的贡献最大。

基于宏转录组研究蔬菜秸秆发酵体系细菌群落

分析蔬菜秸秆快速好氧发酵过程中活性细菌群落丰度、组成、多样性的演变规律,为进一步挖掘微生物资源,调节发酵工艺提供理论参考依据。依托罐式有机物料快速腐解设备,选取发酵过程中4个不同发酵时期(升温期、高温期、降温期和腐熟期)的有机物料为研究对象,提取微生物总RNA、反转录cDNA,以16S rRNA基因为分子标靶,借助qPCR技术和Illumina Miseq高通量测序平台,研究不同发酵时期细菌群落丰度、组成、多样性的变化及群落组成与物料理化因子偶联分析,揭示群落与理化因子之间的相关性。不同发酵时期物料的pH发生了显著的变化,升温期物料pH为6.26,而到了高温期乃至腐熟期pH均在8.0以上;发芽指数随着发酵进程推移达到94%以上。高温期的细菌数量显著高于其他3个时期。各个时期的活性细菌α多样性指数,除Simpson指数外,其余差异不显著。不同时期的优势菌门均是厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria),但相对丰度变化较大;不同时期菌群属组成和相对丰度之间存在显著差异,升温期存在其他时期检测不到的菌属。通过CCA分析可知pH是影响微生物群落结构的主要因子。

新型宏基因组/宏转录组学技术在反向病原学研究中的应用

以微生物组学和宏基因组学为基础的新技术的飞跃式发展为新微生物的发现提供了无可比拟的优势。反向病原学理念公开提出后,在指导新发突发传染病的主动防控实践方面也正在发挥越来越多的作用,在公共卫生和疾病防控领域应用越来越广。新型宏基因组/宏转录组学技术进一步支撑和促进反向病原学研究,在发展评估新微生物致病潜力的理论、策略和方法方面有了一定的进展。在此,本综述梳理了新型宏基因组/宏转录组学技术在反向病原学研究中的作用实践、以及面临的挑战,期望促进人们对病原体的认识和理论技术创新。

宏转录组测序揭示褐土脲酶基因的表达丰度和细菌来源

为明确褐土中脲酶编码基因的表达丰度,通过土壤RNA提取和宏转录组测序法,筛选RNA水平上表达较高的脲酶基因,共筛选到122个脲酶结构基因(93个ureC、16个ureB和13个ureA)和脲酶辅助基因115个(29个ureD、12个ureE、36个ureF、29个ureG、5个ureH和4个ureJ)。其中ureB、ureA、ureG、ureH和ureJ所有转录本TPM值都小于2,而ureC、ureD、ureE和ureF丰度最高的转录本TPM值分别为3.17、5.37、2.01和2.71。细菌来源的芽孢杆菌属Bacillus、芽孢八叠球菌属Sporosarcina、节杆菌属Arthrobacter、链霉属Streptomyces和类芽孢杆菌属Paenibacillus等在褐土脲酶活性的发挥中贡献度较大。

青藏高原野生冬虫夏草子实体发育时期的宏转录组研究

冬虫夏草为冬虫夏草菌(Ophiocordyceps sinensis)感染蝙蝠蛾(Thitarodes spp.)幼虫后形成的菌虫复合体.本文在前期完成冬虫夏草菌基因组研究的基础上,于青藏高原5个不同样地采样,取虫草子实体部分开展宏转录组分析.结果表明,不同样品中的微生物群落组成不同,但真菌寄生菌——木霉菌(Trichoderma spp.)存在于所有样品中.使用测序片段进行编码基因比对及基因差异表达分析表明,不同基因的表达水平在不同样品中存在显著差异,尤其是与真菌有性生殖及子实体发育等相关基因的表达存在明显差异,但总体特征与样品采集地的地理纬度相关.冬虫夏草菌基因组中的转座子元件显著扩张,宏转录组分析表明,Ⅰ型反转录元件及Ⅱ型DNA转座子在不同样品中均存在高水平的表达,暗示这些转座子参与冬虫夏草菌的环境适应性调控及基因组进化.

宏转录组测序分析老年抗生素相关性腹泻患者肠道菌群组成及耐药通路特点

目的为探究老年抗生素相关性腹泻(AAD)患者肠道菌群结构变化的特点以及与细菌耐药性之间的关联。方法对来自华山医院老年科的6名老年AAD患者的肠道菌群进行宏转录组测序,并以另5名相同饮食标准下接受抗生素治疗但未发生腹泻的患者作为对照,深入分析老年AAD患者肠道菌群物种组成及耐药通路变化。结果AAD组物种丰度和多样性均低于对照组,且两组菌群组成在不同分类学水平上存在明显差异(P<0.05)。KEGG比对结果显示,AAD组多条抗生素耐药通路的表达量均有显著上调,包括与β-内酰胺类抗生素耐药相关的青霉素结合蛋白pbp1B、pbp5、金属β-内酰胺酶bla2,β-内酰胺酶基因表达调节因子ampR、ampC等,与万古霉素耐药相关的VanX、VanB、VanW和VanH等。另外,mlaC、natB、znuC、tcyB、tcyC等53条ATP结合盒超家族(ABC转运蛋白)相关通路在AAD组中显著上调。结论菌群结构变化、某些优势菌属的扩张、菌群失调相关的代谢变化以及抗生素耐药性等因素与老年人AAD有潜在联系。