大黄鱼鱼卵鱼露快速发酵过程中细菌多样性及PICRUSt基因功能预测

为探究鱼露快速发酵过程中细菌多样性的变化,以大黄鱼鱼卵为研究对象,通过酶解和加曲的方式快速发酵鱼露,采用16S rDNA高通量测序技术分析大黄鱼鱼卵鱼露快速发酵过程中细菌群落结构的变化,并开展基因功能预测分析。结果显示,未灭菌组(K组)和灭菌组(M组)鱼露的优势菌门均为厚壁菌门和变形菌门。葡萄球菌属是鱼露发酵过程中的优势菌属,相对丰度高的菌属有链球菌属、糖芽孢杆菌属、类芽孢杆菌属和希瓦氏菌属。PICRUSt (phylogenetic investigation of communities by reconstruction of unobserved states)基因功能预测显示,鱼露细菌基因功能涉及遗传信息处理、代谢等6类一级生物代谢通路,以及辅助因子与维生素的代谢、能量代谢等35个二级功能层。M组鱼露在发酵第5、10天时的细菌组成与组内其他发酵时间的样本存在明显差异,这可能是因为M组发酵前期含有相对丰度较高的芽孢杆菌属及更为丰富的二级功能预测基因。在M组鱼露发酵后期,复合曲的加入使细菌菌落发生了改变。本研究结果可为筛选功能菌、改善鱼露品质提供依据。

老面传代发酵过程中细菌菌群结构及其功能预测

该研究以老面为研究对象,采用高通量测序技术解析了老面传代1代(SD1)、2代(SD2)和4代(SD3)发酵过程中的细菌菌群多样性,对高通量测序结果进行α多样性及β多样性分析,并对其细菌菌群进行京都基因与基因组百科全书(KEGG)富集分析。结果表明,老面样品共获得538981条优化序列,得到495个操作分类单元(OTU);从SD1到SD3代的优势菌门依次为厚壁菌门(Firmicutes)、蓝藻菌门(Cyanobacteria)和变形菌门(Proteobacteria);优势菌属均为乳杆菌属(Lactobacillus);优势菌种均为旧金山乳杆菌(Lactobacillus sanfranciscensis)、干酪乳杆菌(L.sakei)、短乳杆菌(L.brevis)和加氏乳杆菌(L.gasseri);优势菌门、属和种的平均相对含量变化不显著(P>0.05)。β多样性分析表明,老面传代发酵过程中细菌群落结构较为相似,丰度变化不显著(P>0.05)。从SD1到SD3老面样品中细菌菌群主要功能为碳水化合物代谢,其次为维生素及辅酶因子代谢、分子排序、结构折叠与降解、氨基酸代谢,磷酸戊糖途径是最主要的三级代谢功能。

高通量测序研究慢性肾衰竭对宠物犬肠道菌群多样性的影响及基因功能预测分析

旨在通过高通量测序研究慢性肾衰竭(chronic renal failure,CRF)对宠物犬肠道菌群多样性的影响,并预测分析菌群的基因功能。本研究选取30只2岁健康犬,随机等分为慢性肾衰竭模型组(CRF,肾动脉结扎法制备)、假手术对照组(Sham)和健康对照组(HCG),常规饲养,试验周期56 d。试验过程中,定期检测血肌酐(Scr)、血尿素氮(BUN)和尿蛋白/肌酐比(UP/C),无菌采集新鲜粪便进行细菌16S rDNA测序,分析慢性肾衰竭对犬肠道菌群结构、多样性与功能的影响,并以CRF组差异菌群为自变量进行主成分Logistic回归分析,构建菌群标志物综合指数(FMI)用于慢性肾衰竭预测。结果显示:1)从试验后第28天开始,CRF组Scr、BUN和UP/C分别显著高于自身试验前、HCG组和Sham组(P<0.05)。2)CRF组不同时间点肠道菌群有显著差异,第56天时的Chao 1指数、Shannon指数均降低,拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形杆菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度增加,厚壁菌门(Firmicutes)数量减少,与0 d和28 d比较差异显著(P<0.05),与同时间点HCB组及Sham组比较差异显著(P<0.05)。3)组间菌群LEfSe分析发现,CRF组富集了20个物种,主要包括假单胞菌属(Pseudomonas)、埃希氏菌属(Escherichia)和变形杆菌属(Proteus)等,这些物种与肠道其他菌属间多呈负相关关系;差异物种基因主要富集在氨基酸代谢、糖生物合成和代谢以及碳水化合物代谢等代谢途径。用这些差异物种构建的FMI,其ROC曲线AUC为0.788,可作为犬CRF的肠道微生物标志物。以上结果表明,慢性肾衰竭可以使犬肠道菌群多样性降低、菌群结构失调以及菌群功能改变,且CRF患犬肠道中富集的菌群可作为该病的肠道微生物标志物,以FMI预测效果最好。

南宁地区酸姜片微生物群落及基因功能分析

该研究采用纯培养方法和高通量测序技术解析广西南宁地区酸姜片样品的细菌多样性,并基于直系同源蛋白数据库对细菌潜在的功能进行预测。结果表明,样品中的优势细菌属为乳杆菌属(Lactobacillus)、副乳杆菌属(Paralactobacillus)、梭菌属(Clostri-dium)、芽孢杆菌属(Bacillus)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、劳尔氏菌属(Ralstonia)、类芽孢杆菌属(Paenibacillus)、不动杆菌属(Acinetobacter)和葡萄球菌属(Staphylococcus);PICRUSt分析显示,酸姜片中细菌具有较强的碳水化合物和氨基酸转运与代谢功能。通过纯培养方法从样品中分离出的8株乳酸菌中戊糖乳杆菌(Lactobacillus pentosus)占总分离株的62.50%。综合分析表明,酸姜片中代谢氨基酸和碳水化合物的细菌菌群占比较高,优势细菌属以乳杆菌属为主。

新基因C12ORF56在肺癌中的表达特征和功能研究

目的C12ORF56(chromosome 12 open reading frame 56)是一个位于人染色体12长臂14.2区、且目前功能未知的新基因,在多种正常组织及包括肺癌在内的多种肿瘤中均有表达,但是C12ORF56在肺癌中的表达特征及功能尚不明确。在本研究中我们对C12ORF56在肺癌组织及细胞系中的表达及亚细胞定位特征、细胞生理功进行了探讨。方法在ONCOMINE数据库中比较了正常组织和肺癌组织的C12ORF56 mRNA的转录水平;并使用LinkedOmics、Metascape、String和GSEA等工具对C12ORF56及其关联的分子调控网络在肺癌病理过程中的潜在细胞生物学功能进行了预测;通过EdU和CCK-8法评估了特异性siRNA靶向敲降C12ORF56 mRNA对肺癌细胞系NCI-H1073增殖的影响;应用RT-qPCR检测肺癌细胞周期各阶段中C12ORF56的转录水平;采用Jaspar在线工具预测,并通过双荧光素酶报告基因系统明确了影响肺癌细胞系中C12ORF56基因转录的启动子核心区域。结果相对于正常组织,C12ORF56转录本在肺癌组织、特别是在鳞状细胞肺癌中表达明显上调;靶向敲降C12ORF56明显抑制了肺癌细胞NCI-H1703的增殖。结论C12ORF56转录水平在肺癌组织、特别是鳞状细胞肺癌组织中明显上调;上调的C12ORF56通过促进肿瘤细胞的增殖参与肺癌的发生和发展进程。

根据GO分类体系选择与实验条件相关的差异表达功能结点进行基因功能深化预测

利用有限个实验条件下的基因表达谱数据,只能对与实验条件相关的基因功能类进行有效预测,所以有必要限定可预测的基因功能类范围。据此,首先基于GeneOntology(GO)选择富集差异表达基因与实验条件相关的功能类。再通过支持向量机分类器,深化预测迄今只注释到实验条件相关功能类的父结点的基因是否属于该实验条件相关功能类。应用于一套酵母基因表达谱数据,结果显示,在剔除了高度不平衡的训练集合后,平均真阳性率(precision)与平均覆盖率(recall)都分别达到了71%与47%以上。

糯米酸细菌多样性解析及其表型和基因功能预测

在采用MiSeq高通量测序技术对糯米酸中细菌多样性进行解析的基础上,对细菌表型和基因功能进行了预测。结果发现,糯米酸的细菌类群主要为隶属于Firmicutes(硬壁菌门,97.45%)的Lactobacillus(乳酸杆菌属,89.36%)和Pediococcus(片球菌属,6.37%)。有5个分类操作单元存在于所有样品中,均被鉴定为Lactobacillus,累计平均相对质量分数为10.27%。表型预测表明,糯米酸中细菌类群主要为革兰氏阳性的厌氧菌和兼性厌氧菌,具有移动原件、生物膜形成能力和致病潜力的菌群相对质量分数均较低。基因功能预测表明,细菌类群在氨基酸转运与代谢、碳水化合物运输与代谢等功能上具有较高的表达。由此可见,糯米酸中蕴含了较为丰富的乳酸菌资源。

霉豆渣细菌多样性解析及基因功能预测

采用高通量测序技术解析霉豆渣中细菌多样性,通过PICRUSt软件进一步对细菌类群的基因功能进行了预测。结果发现:霉豆渣中细菌主要隶属于Proteobacteria(变形菌门,46.50%)、Firmicutes(硬壁菌门,38.80%)、Bacteroidetes(拟杆菌门,12.62%)和Actinobacteria(放线菌门,1.81%);优势菌属分别为Acinetobacter(不动杆菌属,17.27%)、Pseudomonas(假单胞菌属,10.38%)、Brevundimonas(短波单胞菌属,4.03%)、Stenotrophomonas(寡养单胞菌属,3.05%)、Comamonas(丛毛单胞菌属,2.52%),Enterococcus(肠球菌属,1.09%)、Bacillus(芽孢杆菌属,11.60%)、Brevibacillus(短芽孢杆菌属,2.41%)、Lysinibacillus(赖氨酸芽胞杆菌属,21.15%),Wautersiella(沃特氏菌属,8.68%)、Sphingobacterium(鞘氨醇杆菌属,2.17%)和Nocardia(诺片氏菌属,1.36%);有8个OTU(operational taxonoxic unit)在所有的霉豆渣样品中都存在,占OTU总数的0.59%,包含的序列数占总序列数的9.35%;有711个OTU仅在1个霉豆渣样品中存在,占OTU总数的52.47%,包含的序列数分别占总序列数的6.34%;PICRUSt分析发现霉豆渣中细菌类群具有较强的碳水化合物的运输与代谢和氨基酸的转运与代谢。由此可见,霉豆渣中蕴含了丰富的微生物群系,且不同样品间细菌类群的差异较大。

有机肥对退化红壤中细菌群落功能组成影响的PICRUSt基因预测分析

为探讨不同修复措施对南方典型退化红壤细菌群落功能组成的影响,设置单施生物炭(B)、微生物有机肥(OF)、化学肥料(CF)、生物炭配施微生物有机肥(BO)、生物炭配施化学肥料(BC)以及空白对照(CK)等6种修复处理方式并进行车前草的盆栽试验,采用细菌16S rRNA基因的高通量测序技术并结合PICRUSt功能预测分析,研究不同修复处理方式下退化红壤细菌群落结构及其功能组成的变化。结果表明,微生物有机肥和化学肥料对车前草根际土壤细菌群落结构与功能组成具有显著的影响(F_(2,15)=25.55,R^(2)=0.7731,P<0.001;F_(2,15)=17.22,R^(2)=0.6966,P<0.001),而生物炭的作用不显著(P>0.05);微生物有机肥处理车前草根际土壤细菌物种多样性显著增加,增幅达到17.30%,但是化学肥料显著降低细菌物种多样性,降幅达21.25%;微生物有机肥增加生物代谢途径和氮循环途径功能基因丰度,促进氮异化还原、反硝化作用和固氮作用过程,有利于土壤氮素的维持和土壤质量的改善,而化学肥料施用则相反。另外,根际土壤细菌物种多样性跟土壤的pH值显著正相关,跟碱解氮和有效磷等土壤养分含量显著负相关。本研究明确了退化红壤微生物群落功能组成以及氮循环相关功能基因对修复措施的响应,为南方退化红壤的生态修复与农业生产提供理论依据。

盐渍藠头盐水细菌多样性及基因功能预测分析

采用Mi Seq高通量测序技术对来凤地区盐渍藠头盐水细菌多样性进行解析,并采用PICRUSt技术对其基因功能进行预测。结果表明,99.58%的基因序列长度为425~451 bp,基本覆盖16S r RNA V_3-V_4区序列;优势细菌门为硬壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria),平均相对含量分别为43.94%、33.12%和18.21%;优势细菌属为乳杆菌属(Lactobacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)和嗜热油菌属(Thermoleophilum),平均相对含量分别为30.28%、18.21%和16.13%;共有219个核心操作分类单元(OTU),包含的序列数占总序列数的75.56%;盐渍藠头盐水中可能共有大量具有较强氨基酸转运和代谢功能的细菌类群。

基于异质网络层次注意力机制的基因功能预测

基因组测序技术的快速发展使得生物数据库中的基因和基因组序列数据数量迅速增加,但其中仍有大量基因功能是未知的。为此,提出基于异质网络层次注意力机制的基因节点表示学习方法HAGE,用以预测基因功能。结合多种来源的数据集,构建一个具有节点属性的基因功能相关异质网络,在网络中使用层次注意力机制为每一个基因节点学习一个节点嵌入向量,该向量可用于后续的基因功能预测等任务。实验结果表明,与GraphSAGE和GAT等方法相比,HAGE具有更好的预测性能。

基因功能研究方法的新进展

随着生命科学的发展,研究领域的不断开拓,越来越多的未知新基因和基因的新功能被科学家们发现,研究这些未知新基因的功能和已知基因的新功能成为了极其重要的一项内容。本文对基因功能研究的最新方法进行了介绍。

新基因功能研究的整体策略

随着生命科学的发展及研究领域的不断开拓,越来越多的未知新基因和基因的新功能被发现,这些基因功能的研究成为了后基因组时代的首要任务。作者对新基因的研究策略作了一个较为系统全面的综述。

煤矿复垦区不同恢复年限沙棘人工林土壤细菌群落结构与功能预测

为揭示煤矿复垦区恢复年限对沙棘人工林土壤细菌群落结构及功能特征的影响,以鄂尔多斯聚鑫龙煤矿复垦区不同恢复年限(3、4、5、6、7 a)沙棘人工林为研究对象,撂荒草地为对照,对研究区土样进行采集,通过Illumina Miseq高通量测序技术对土样细菌群落测序,使用PICRUSt进行功能预测。结果表明:研究区共检测到细菌29门、91纲、193目、305科和438属,门分类水平上优势类群为放线菌门、变形菌门;属分类水平上无优势类群,常见类群为不动杆菌属、类诺卡氏菌属。与草地相比,沙棘人工林的建植使土壤有机质、碱解氮、速效钾、含水量呈增加趋势,土壤pH和全磷变化不明显。沙棘林土壤中的不动杆菌属、类诺卡氏菌属相对丰度整体高于草地;随着恢复年限的延长,栖热菌属和奇球菌属相对丰度随恢复年限延长逐渐降低,CL500-29 marine group、链霉菌属相对丰度则逐渐增加。土壤pH和速效钾是影响研究区沙棘人工林土壤细菌群落结构的主要影响因子。研究区沙棘林和草地土壤细菌主要包含5个一级功能和35个子功能。细菌代谢功能是最主要的功能,其在沙棘林中的代谢潜力高于草地。沙棘林的建植有利于细菌代谢水平和土壤养分的提高。

根据基因表达谱筛选间接互作蛋白质进行蛋白质功能预测

利用基因表达谱数据,通过计算互作蛋白质的表达相关系数,来筛选、优化蛋白质互作网络。结果显示,利用经过筛选的互作数据,根据邻居计数法和卡方法进行功能预测的预测效果明显提高,距离待测蛋白质较远的邻居也包含着与待测蛋白质功能一致的信息。

鲥[鱼侯]淀不同基质附着细菌群落结构特征及PICRUSt功能预测分析

为了解湖泊生态系统中微生物群落的组成及其在生态系统中的作用和功能,实验基于高通量测序技术分析了鲥[鱼侯]淀芦苇、棕榈片、人工水草、网片四种不同基质附着细菌的群落结构组成,并采用PICRUSt对菌群功能进行了预测分析。结果显示:鲥[鱼侯]淀四种基质附着细菌群落组成丰富,共检测出38门91纲183目338科646属,优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、浮霉菌门(planctomycetes)。通过α-多样性分析发现四种基质附着细菌多样性指数大小依次为芦苇基质>棕榈片基质>人工水草基质>网片基质,丰富度依次为棕榈片基质>芦苇基质>网片基质>人工水草基质。进行PCoA分析和聚类分析,发现棕榈片基质与芦苇基质的附着细菌群落较为相似,而网片基质与人工水草基质较为相似。采用PICRUSt进行菌群功能预测分析,表明主要的COG功能包括氨基酸运输和代谢、细胞壁/细胞膜/膜结构的生物合成、能量产生和转换、信号转导机制、无机离子转运与代谢、碳水化合物的运输和代谢等共涉及22个功能基因家族。以上结果表明,生态修复中天然芦苇的微生物多样性最优且自我净化能力最强,其次是棕榈片。

花垣铅锌尾矿废弃地地枇杷根际土壤细菌群落演替及功能预测

看护植物介导的微斑块变化是尾矿废弃地等退化生态系统恢复过程中的活跃成分。以铅锌尾矿废弃地裸地为对照(CK),不同演替阶段的地枇杷斑块(初期Y、中期M和后期O)为研究对象,采用16S rRNA高通量测序技术对不同演替过程中地枇杷根际土壤细菌数据进行数据挖掘和分析,运用PISCRUSt2功能预测分析探讨了铅锌尾矿废弃地上不同演替过程中地枇杷根际细菌群落变化及碳、氮和磷代谢特征。结果表明:1) 根际细菌优势门主要为变形菌门、蓝细菌门、绿弯菌门和放线菌门等,随着演替正向进行,蓝细菌门和绿弯菌门相对丰度逐渐降低,变形菌门和放线菌门相对丰度增加。优势属类群中鞘脂单胞菌属、Gaiella属、硫杆菌属和短波单胞菌属等的相对丰度逐渐降低,与之相反,红杆菌属、假单胞菌属、木洞菌属、慢生根瘤菌属和玫瑰单胞菌属的相对丰度则逐渐增加,典型对应分析(CCA)结果显示,有效磷(AP)和总磷(TP)与根际细菌物种分布的决定系数R2分别为0.8507 (P = 0.001)和0.9373 (P = 0.001);2) 参与碳固定的6条途径中,以3-羟基丙酸双循环的总关键基因丰度最高,其次为卡尔文循环,随演替正向进行,根际细菌固碳潜力逐渐增加;3) 参与固氮反应的功能酶基因丰度以Y阶段最高,硝化反应的功能酶基因丰度随演替正向进行而逐渐增加,参与N代谢的所有功能基因中异化性硝酸盐还原反应(DNRA)的基因丰度最高,并在O阶段达到最大;4) 有机磷矿化与无机磷溶解的基因丰度均随演替正向进行而逐渐增加,有机磷运输基因丰度随演替正向进行而增加,但无机磷酸盐运输的基因总丰度却显著高于前者。综上所述,随着地枇杷斑块演替的正向进行,地枇杷根际土壤细菌的群落结构与组成发生了显著变化,TP和AP是这种变化的关键环境因子,根际土壤细菌群落以3-羟基丙酸双循环途径为主要的固碳方式,硝态氮还原以DNRA为主,使尾矿废弃地的土壤质量得到明显改善,然而以无机磷酸盐同化为主要方式的P代谢特征表明尾矿废弃地以地枇杷为主的斑块演替仍处于生态演替的初级阶段。

棉花-花生轮作下的根系土壤细菌群落结构及功能分析

为了提升棉花和花生产量,开展棉花-花生轮作模式研究,分析轮作模式下土壤根系微生物的群落结构与功能。以棉花连作、花生连作、棉花花生轮作、花生棉花轮作和休耕为研究对象,探明轮作后作物根际土壤微生物群落结构变化,利用16S rRNA基因高通量测序技术分析根系细菌群落结构与功能。结果发现:轮作提高了根系细菌群落的多样性;土壤样本中共获得5009952个有效序列,休耕模式下OTU(operational taxonomic units)含量最多。在轮作种植模式中变形菌门、酸杆菌门和放线菌门为优势菌门;其次轮作模式增加了厚壁菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门的丰富度。根据功能不同,将菌群共划分为8类,轮作出现较多微生物基因遗传相关的功能类群,整体以代谢相关的类群居多,与人类和植物病原菌的功能蛋白组富集明显。由此得出,棉花,花生轮作能够提高微生物丰富度,增加多样性,改变土壤微生物群落结构,促进作物根系对营养物质的吸收,提高作物产量。

三峡库区消落带草本植物根际细菌群落季节变化特征及功能预测

为了研究三峡库区消落带人工修复植被下不同季节根际细菌群落特征,选取位于三峡库区核心地带的忠县石宝镇汝溪河流域消落带生态修复示范基地内两种适生草本狗牙根(Cynodon dactylon)、牛鞭草(Hemarthria altissima)根际土壤进行16S rDNA高通量测序。研究结果显示:在消落带退水后的春季、夏季、秋季3个季节共检测到细菌60门、151纲、403属,主要优势门为变形菌门、酸杆菌门、拟杆菌门;放线菌门和芽单胞菌门的相对丰度在季节水平上存在差异,夏季芽单胞菌门丰度较高,秋季放线菌门相对丰度显著减少。适生草本的根际土壤细菌α多样性表现出一定的季节变化规律,即秋季>夏季>春季;通过冗余分析发现,影响细菌群落结构的环境因子主要有土壤全磷(TP)、速效钾(AK)、含水量(SWC)、有机质(OM)。基于未观测状态重建的群落系统发育研究(PICRUSt2)功能预测共发现6个一级功能层和45个二级功能层;代谢功能在一级功能层中占比最高,其有利于提高消落带适生草本植物抑制病原菌的能力,促进植物的生长;一级功能层中有两个功能基因表现出季节差异,二级功能层中有14个子功能的相对丰度在不同季节存在显著差异。由此可见,根际细菌群落对狗牙根、牛鞭草两种草本植物能够广泛分布且适生于三峡库区消落带的土壤环境起到了重要的促进作用。

模拟氮沉降对中亚热带米槠天然林土壤解磷微生物群落和功能潜力的影响

解磷微生物是森林土壤磷循环的关键驱动因素,对亚热带低磷土壤尤为重要。由于微生物对环境变化较为敏感,氮沉降下土壤微生物如何变化以及如何影响土壤磷有效性尚不清楚。为此,依托福建三明森林生态系统与全球变化国家野外科学观测研究站建立的米槠天然林长期氮沉降观测平台,借助16S rRNA和ITS高通量测序以及PICRUSt功能预测方法,探索氮添加对土壤解磷微生物群落和功能潜力的影响。结果表明:氮添加显著增加了土壤有效氮含量,但显著降低了Resin-P、NaHCO_(3)-P和TPo,表明氮沉降改变了土壤养分平衡,加剧了磷限制。此外,氮添加降低了根瘤菌和伯克霍尔德菌等解磷细菌的丰度,却增加了青霉菌和曲霉菌等解磷真菌的丰度。PICRUSt功能预测进一步发现,存在15种能够编码磷酸酶的基因,并且与对照相比,施氮后酸性磷酸酶、碱性磷酸酶和植酸酶等酶基因丰度显著增加。综上,本研究发现施氮加剧了亚热带米槠天然林土壤的磷限制,同时增加了解磷真菌的丰度和磷酸酶的基因丰度来促进有机磷矿化,这可能是氮沉降下驱动米槠天然林土壤磷转化的主要微生物机制。