厌氧消化系统微生物菌群的研究进展

各种污水或污物厌氧消化反应器中分布着大量的微生物,它们在厌氧条件下相互协作将复杂的有机物分解为二氧化碳和甲烷,成为废弃物厌氧处理的功能基础。不依赖于培养的分子生物学技术,使大量的细菌和古菌类群在此生态系统中得以发现,但它们大多数仍未被成功培养,其生态功能也未得到阐明。总结了基质种类、有机负荷、pH、温度等各种厌氧消化反应器运行条件下,微生物群落结构的特点和演化规律,以及未培养微生物的原位功能研究技术的进展,展望了稳定性同位素标记、宏基因组学、蛋白质组学和代谢物组学等新技术在未培养微生物功能研究中的潜力。

利用响应面法优化海洋微生物发酵产角鲨烯的研究

采用响应面法对海洋微生物Pseudozymasp.SD301发酵产角鲨烯培养条件进行优化。在单因素实验结果的基础上,通过Design-Expert软件对葡萄糖浓度、接种量、培养温度、装液量进行4因素响应面实验设计,以角鲨烯产量为响应值,优化菌株Pseudozymasp.SD301的培养条件,并验证响应面预测值与实测值的一致性。结果表明,在葡萄糖浓度为67.2g·L-1、接种量为1.5%、培养温度为26℃、装液量在41mL/250mL的最优培养条件下,角鲨烯产量为1.152g·L-1,比出发条件提高了3.62倍,实测值与响应面预测值吻合良好。

拟南芥DG1参与叶绿体早期光合蛋白合成功能

拟南芥中已有466个PPR蛋白,已有研究证实许多PPR蛋白参与细胞器基因表达的转录后调节,但大部分PPR蛋白分子作用机制尚不清楚。Delayed greening1(DG1)是定位于叶绿体中的的PPR蛋白,研究结果证实该蛋白是通过与SIG6因子相互作用降低PEP转录活性从而影响叶绿体早期发育。本研究利用拟南芥Dg1基因功能缺陷型突变体研究了DG1蛋白对光系统蛋白复合体组成及其光转化效率的影响。77K荧光发射光谱分析发现dg1突变体幼叶PSⅡ中电子传递速度明显低于野生型,而成熟叶片与野生型基本一致;蓝绿温和胶分析结果表明:相对于野生型在dg1突变体新生叶中PSⅡ、PSⅠ及其超聚复合物含量均有不同程度降低;进一步温和胶二向电泳及蛋白免疫印迹分析显示,在dg1突变体新生叶中,由叶绿体编码的光系统蛋白复合物组成亚基含量显著降低,而核编码复合物组成亚基含量与野生型相比没有明显区别。上述实验结果进一步确定了DG1蛋白是通过调控叶绿体编码基因的表达进而调节光系统复合物的生物合成与组装,最终影响拟南芥叶绿体早期发育。因此,我们认为DG1蛋白对于叶绿体发育早期光合蛋白的合成是必需的。

单环刺螠硫醌氧化还原酶间接竞争ELISA检测方法的建立

硫醌氧化还原酶(Sulfide:quinone oxidoreductase,SQR),是线粒体硫化物代谢的关键酶。本研究以生活在潮间带下区及潮下带中的底栖生物—单环刺螠SQR重组蛋白为材料,建立了单环刺螠SQR间接竞争ELISA检测方法,为定量分析SQR蛋白水平表达奠定了基础。将SQR重组蛋白免疫新西兰大白兔获得多克隆抗体,检测效价高达1:64 000。采用免疫印迹实验,将该抗体与重组蛋白和体壁总蛋白杂交,均得到了单一的条带,表明该抗体特异性好。优化SQR间接竞争ELISA检测条件,得出最佳的抗原包被浓度为250ng/mL,一抗浓度为1∶20 000,二抗浓度为1∶12 000,此条件下建立的标准曲线检测范围为2.5～1 000ng/mL。精确度检测结果显示,批内差异在0.42%～7.27%、批间差异在2.58%～7.78%范围内,表明该条件下精确度具有良好的准确性和重复性。以上结果表明,已成功建立单环刺螠SQR间接竞争ELISA检测方法。

拟南芥HCF243蛋白参与叶绿体PSⅡ稳定调控机制的研究

核基因编码的调控因子在光系统Ⅱ(PSⅡ)的组装过程中起着关键的调控或辅助作用。已有研究证明,HCF243蛋白是一个重要的核基因编码的调控因子,推测它可能作为一个辅因子通过与D1蛋白的直接相互作用来维持后者在PSⅡ蛋白复合物中的稳定。为了探究HCF243蛋白在光抑制条件下在PSⅡ核心亚基尤其D1蛋白周转过程中的作用机制,首先利用TAIL-PCR的方法鉴定了hcf243突变体T-DNA的插入位点,并通过半定量RT-PCR对该基因(At3g15095)进行了表达模式分析,发现其表达量在叶中最高并随发育阶段逐渐上调,不同胁迫条件下的表达量也有变化。利用体内蛋白质同位素标记实验,发现hcf243突变体中D1蛋白组装到PSⅡ复合体中的速度明显低于野生型;进一步通过蛋白免疫印记分析证实,在光抑制条件下,相比野生型,hcf243突变体中PSⅡ复合物核心亚基D1降解速度显著加快,可能是造成PSⅡ复合体组装速率降低的原因。因此,通过上述实验推测HCF243蛋白作为一个辅因子,在PSⅡ反应中心D1蛋白的周转尤其降解过程中起着关键的调控作用。

利用伯克霍尔德氏菌脂肪酶富集裂壶藻油脂中的二十二碳六烯酸

目的:研究伯克霍尔德氏菌胞外脂肪酶对裂壶藻油脂中二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)的富集作用。方法:用三丁酸甘油酯平板筛选法,筛选产脂肪酶的细菌;以对硝基苯月桂酸酯为底物,对筛选得到的伯克霍尔德氏菌脂肪酶的酶学性质进行研究;用该脂肪酶水解裂壶藻油脂,通过气相色谱法测定酶解后水相和有机相的脂肪酸组成来研究其对裂壶藻油脂DHA的富集作用。结果:从广州的泥土样品中分离获得一株高产胞外脂肪酶的伯克霍尔德氏菌,在产酶培养基中30℃、200 r/min的条件下培养40 h后,脂肪酶酶活力达到最大值70 U/m L。脂肪酶粗酶液酶活性的最适温度为45℃,最适p H值为8.5。该菌的脂肪酶对裂壶藻油脂中的DHA有一定的富集作用,能够使油脂中DHA占总脂肪酸的质量分数从最初的30%升高到40%。结论:筛选得到一株能够产生选择性富集DHA的脂肪酶的细菌,拓宽了可用于多不饱和脂肪酸分离纯化的脂肪酶的范围。

温度对浒苔降解过程中溶解有机物释放及其组成的影响

2007~2019年浒苔(Ulva prolifera)绿潮在我国南黄海连续13年大规模暴发,每年上百万吨浒苔来不及打捞而沉降至海底。在浒苔绿潮消亡期,大量来不及打捞的浒苔藻体在微生物降解作用下释放丰富的碳、氮等生源要素。本研究探讨了温度对浒苔降解向水体释放溶解有机物(主要包括溶解有机碳和溶解有机氮)及其组成的影响。结果显示,不同温度(15℃、20℃和25℃)对0~7 d浒苔降解过程中溶解有机碳(DOC)的释放有显著影响(P<0.05):20℃条件下,DOC浓度显著高于15℃和25℃条件下,而7~30 d不同温度下水体的DOC浓度没有显著差异(P>0.05)。对于溶解有机氮(DON)而言,温度对0~7 d浒苔释放DON的影响不显著(P>0.05),而7~30 d不同温度下,DON浓度呈现显著差异。其中,25℃条件下,DON浓度显著低于15℃和20℃(P<0.05),这主要是由于在实验中后期,微生物将浒苔释放的DON部分转化为无机氮形式,而25℃条件下,微生物丰度较高,进而导致较多的DON发生转化。另外,利用三维荧光光谱—平行因子分析技术(EEMs-PARAFAC)对浒苔降解过程中荧光溶解有机物(FDOM)的组成和荧光特性进行探究,共鉴别出3个荧光组分:类色氨酸组分(C1和C2)和类腐殖质组分(C3)。不同温度下,3个组分的相对含量表明,温度对FDOM的组成并没有显著影响(P>0.05),而对C2和C3组分的荧光强度具有显著影响(P<0.05),这可能由不同温度下微生物的分解速率不同所导致。

丙酮酸脱氢酶竞争性抑制剂调控裂殖壶菌脂肪酸合成的研究

本研究以合成乙酰辅酶A的丙酮酸脱氢酶复合体为扰动目标,通过应用底物特异竞争抑制剂——氟化丙酮酸(FP)来扰动乙酰辅酶A的合成,在考察扰动后裂殖壶菌的碳消耗、菌体生长、油脂合成、脂肪酸成分的基础上,分析了工业生产二十二碳六烯酸(DHA)菌株——裂殖壶菌中的乙酰辅酶A在普通脂肪酸合成途径(FAS途径)和类聚酮合酶途径(PKS途径)的分配比例变化。结果发现裂殖壶菌可转化利用FP;1 mmol/L FP在抑制总油脂合成的同时也显著改变了乙酰辅酶在FAS和PKS途径中的分配比率;降低了生物质合成,增强了二氧化碳生成量。表明裂殖壶菌的FAS途径对乙酰辅酶A的亲和力可能高于PKS途径;通过降低乙酰辅酶A供给量并不能提高总脂肪酸中多不饱和脂肪酸(DHA和DPA)的含量。这一结果解释了FAS途径和PKS途径的碳流分配调控机制,对于选育DHA高产菌株以及工业发酵过程优化具有重要意义。

雨生红球藻和小球藻间的原生质体融合与糖异养融合子筛选

为了增强雨生红球藻的异养生长能力,提高规模化培养效率,本研究基于PEG介导的原生质体融合技术,在雨生红球藻SCCAP K-0084和小球藻SAG211.11a间开展了细胞融合以及糖异养融合子筛选研究,筛选中通过限制性糖异养条件和添加潮霉素分别抑制野生型的雨生红球藻和小球藻的生长,提高筛选效率。结果表明,小球藻SAG211.11a具有极强的异养生长能力,能够利用葡萄糖、果糖、乙酸钠、甘油、苹果酸以及琥珀酸进行异养生长,而雨生红球藻则仅能够利用乙酸盐进行异养生长,此外雨生红球藻SCCAP K-0084还具有极强的潮霉素耐受能力,可以被应用于融合子筛选中。研究中,雨生红球藻和小球藻的原生质体制备效率分别达到72.11%±3.94%和42.07%±3.73%,满足细胞融合需要,融合过程中观察到雨生红球藻和小球藻间的典型融合现象,并且在限制性糖异养筛选下获得了雨生红球藻形态的融合子克隆,融合子的生长速率相比于野生型雨生红球藻有明显的增强,三个融合子在10 d培养后细胞密度分别达到6.7×10~4、8.7×10~4、6.5×10~4个/mL,明显高于野生型的2.45×10~4个/mL,但是相比于小球藻10 d后1.4×10~6个/mL的细胞密度而言,异养生长能力仍然有限,而且在连续传代过程中融合子经常会出现表型分化的现象。这一研究证明,通过细胞融合杂交的方式能够使雨生红球藻获得糖异养的生长能力,但是异源基因组间重组效率有待进一步提高。

热纤梭菌中心代谢产物的归属及初步代谢组分析

热纤梭菌(Clostridium thermocellum)是一种能够高效利用木质纤维素的嗜热厌氧革兰氏阳性菌,是目前利用整合生物加工技术生产纤维素乙醇的最重要的候选菌株之一.代谢物组可以反映细胞和环境因子相互作用,是系统生物学的重要组成部分.目前,尚无使用核磁共振(NMR)方法对热纤梭菌的代谢组进行研究的报道,而对热纤梭菌代谢物的归属是进行代谢组研究的基础.该文通过1H NMR和2D NMR技术,对热纤梭菌的中心代谢产物进行了归属.在归属过程中,发现了若干特殊的重要代谢产物,包括纤维糊精、磷酸烯醇式丙酮酸、赤藓糖-4-磷酸等.这些代谢物对热纤梭菌的胞内代谢具有特殊的意义.利用已归属的代谢物,对热纤梭菌的野生型和乙醇耐受菌株进行初步的代谢组分析表明,热纤梭菌乙醇耐受性的获得,可能与纤维二糖主动合成纤维糊精途径、非氧化磷酸戊糖途径的增强及糖酵解路径的抑制密切相关.

超声波介导的微生物细胞转化

随着分子生物学的发展,微生物遗传改造越来越广泛地应用在微生物育种、临床医学、环境保护等方面。其中,DNA转化技术经常是高效遗传改造的瓶颈之一。应用超声波将目的基因导入微生物细胞的技术具有原位、多尺度、活体、高通量、低成本等优点,因此发展较为迅速。其原理是超声波可以通过声学气穴现象产生一系列的非热能效应,而声学气穴微泡可产生短暂的细胞膜透化作用。本文综述了超声波转化的基本原理及其在微生物细胞转化中的发展现状,并结合本实验室应用超声波转化法转化革兰氏阳性菌等研究进展,分析了其特色、优势及现存挑战。

优化硫酯酶表达提高大肠杆菌脂肪酸乙酯的生物合成效率

利用基因工程大肠杆菌直接从头生物合成脂肪酸乙酯(生物柴油)的相关研究引起了国内外研究人员的广泛关注。在本课题组已经构建的能够从头合成脂肪酸乙酯的大肠杆菌菌株KC3的基础上,通过替换表达不同来源的硫酯酶,发现表达来源于香樟树的硫酯酶Cc FatB1基因能够提高脂肪酸乙酯产量。进一步通过共表达Cc FatB1和大肠杆菌硫酯酶tesA’基因,以及启动子优化,获得了高产脂肪酸乙酯工程菌株KC4。KC4菌株在摇瓶条件和发酵条件下的单位生物量脂肪酸乙酯产率分别为21.4 mg/(L OD600)和31.16 mg/(L OD600)。该工程菌株的构建进一步提高了脂肪酸乙酯产量,显示了通过基因工程改造大肠杆菌从头合成生物柴油的应用潜力。

基因枪介导的老芒麦遗传转化体系的建立

川草2号老芒麦(Elymus sibiricus)是青藏高原地区治理荒漠化和建设高产人工草地的主要栽培草种。用川草2号老芒麦5种外植体诱导愈伤组织,经分化测试,仅幼穗愈伤组织能分化再生。以当代培养25天和35天的结构致密坚硬的幼穗愈伤组织为受体,分别进行农杆菌侵染和基因枪转化,结果只有基因枪能转化成功。在基因枪转化过程中,采用高渗培养和滤纸干燥2种方式预处理愈伤组织,结果表明滤纸干燥处理比高渗处理转化效率高。当代诱导25天的幼穗愈伤组织,滤纸干燥处理2小时转化效率最高,达40%。该研究成功获得了基因枪转化的以川草2号老芒麦幼穗愈伤为受体的阳性愈伤组织。

发根农杆菌介导的菠菜毛状根遗传转化体系的建立

发根农杆菌(Agrobacterium rhizogenes)侵染植物后可诱导植物产生毛状根。菠菜(Spinacia oleracea)是常见的食用蔬菜,目前尚未见菠菜毛状根的研究报道。经筛选得到适合诱导菠菜毛状根的发根农杆菌菌株LBA9402,LBA9402侵染菠菜外植体茎后,毛状根的诱导率最高可达16%。菠菜毛状根呈白色,具有丰富的根毛,能在无外源激素的固体培养基上快速增殖生长。通过诱导菠菜毛状根产生愈伤组织并进行分化,获得了菠菜毛状根的再生植株,再生率为8%。此外,LBA9402可将含有Ri质粒的T-DNA和携带外源GFP基因的Ti质粒T-DNA共同导入外植体中。PCR检测和荧光显微观察结果显示, rol B及GFP基因在菠菜毛状根基因组中稳定表达,共转化频率为50%。

柳枝稷木质素基因F5H的高效编辑

柳枝稷(Panicum virgatum)是重要的C4多年生木质纤维素类生态能饲草。为了快速创制细胞壁转化效率高的能饲草新资源,以异源四倍体柳枝稷品种Alamo为材料,克隆了其木质素合成途径的阿魏酸-5-羟基化酶基因PvF5H,并根据其序列设计编辑靶点,用于构建CRISPR/Cas9-PvF5H编辑载体,最后通过农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)介导的遗传转化方法,获得了59株柳枝稷转基因阳性植株。测序分析表明,PvF5H在94.9%的转基因植株中被编辑,纯合编辑效率为55.4%。该研究建立了高效的柳枝稷基因编辑系统,实现了对细胞壁品质相关靶基因的有效编辑,为今后能饲草新品种的培育奠定了基础。

野大麦高效组培快繁及农杆菌介导的愈伤侵染体系建立

野大麦(Hordeum brevisubulatum)为禾本科大麦属多年生草本植物,具有较强的抗寒和耐盐碱能力,是挖掘抗逆基因的优良种质资源。但目前尚未见野大麦遗传转化体系的报道。该研究以蒙农1号杂交野大麦成熟胚为外植体诱导愈伤组织,建立了野大麦高效组培快繁体系,分化率达70%,快繁系数为35。在此基础上,利用根癌农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)EHA105菌株侵染筛选获得的高质量愈伤系YZ101,通过优化侵染条件使侵染率接近30%。该体系的建立为野大麦功能基因组研究与分子设计育种奠定了基础。

植物MYB转录因子功能及调控机制研究进展

MYB转录因子是植物中数量最大、功能最多样的转录因子之一,在众多生命过程中扮演重要的角色,已成为当前植物基因功能及表达网络调控研究的热点。结合最新研究进展,综述了植物MYB转录因子家族的进化,并着重阐述了生物学功能及表达调控,为进一步分析功能未知的植物MYB转录因子提供参考。

运用基于高通量测序和大数据挖掘的元基因组学方法分析中药制剂的物种成分

中药制剂质量评价以化学成分分析为主,而物种成分分析近年来引起了中医药界的极大关注,特别是对于丸剂类中药制剂的质量评价更为重要。建立中药制剂物种成分的快速、准确、系统的分析方法,是实现中药现代化、产业化和国际化的关键之一。中药制剂物种成分分析的实质是对包含多个生物物种的混合体系(混合生物样本)的物种鉴定。基于高通量测序和大数据挖掘技术的元基因组学方法是目前认识、分析生物混合体系结构和功能最有效、最重要的方法之一。利用元基因组学方法将有助于建立中药制剂的物种评价方法。通过选择合适的DNA分子标记,可对配伍处方药材物种进行鉴别,同时通过大规模数据分析和挖掘鉴别制剂中的混伪品、有毒动植物或受保护动植物的成分,以及在生产过程引入的生物杂质,从而为中药制剂的有效性、安全性和合法性提供评价依据。

象白蚁肠道中一个纤维素降解菌群的分离和特性研究

利用滤纸培养基从象白蚁(Nasutitermes sp.)肠道中分离出一个具有纤维素降解能力,能够降解滤纸的混合菌群。在起始pH 6.5,37℃培养条件下培养6d可得到最高的纤维素酶(CMCase和FPase)活性。在优化条件下,混合菌群的滤纸降解率在第15d达到最大值66.3%,显示出较高的滤纸降解效率。酶谱活性染色分析显示,混合菌群在以滤纸为唯一碳源的生长过程中至少表达了8种内切葡聚糖酶和4种木聚糖酶。扫描电镜观察到该混合菌群包含短杆状和球形两种形态的细菌。基于16SrRNA基因的系统发育分析表明,该混合菌群中至少存在两种细菌,分别属于沙雷氏菌属(Serratia)和类芽胞杆菌属(Paenibacillus)。这两种细菌协同降解纤维素的机制值得进一步深入研究。

硫醌氧化还原酶研究进展

硫化物是一种广泛分布的有毒物质。硫醌氧化还原酶是生物体硫化物代谢的一种关键酶。对该酶的发现与分布、序列特征、催化机制、催化特性、三维结构和生理功能等几个方面进行概述,并对该酶未来研究方向进行展望。