大豆慢生根瘤菌基因组规模代谢网络构建与分析

【摘要】共生固氮是氮元素生物地球化学循环的重要环节,是生物圈中氮素的主要来源。根瘤菌-宿主植物共生固氮系统是研究互利共生关系的模式体系。大豆慢生根瘤菌BradyrhizobiumjaponicumUSDA110具有较强的共生固氮能力,在农业和环境领域应用广泛,是慢生根瘤菌属的代表菌株和共生固氮研究的模式物种之一。B.japonicumUSDA110代谢网络模型的构建、模拟和分析有助于从系统层面和代谢角度加深对共生固氮的认识。参考Sinorhizobiummeliloti1020代谢网络模型iHZ565,结合KEGG数据库中B.japonicumUSDA110相关数据构建了目的菌株代谢网络草图。通过整合数据库信息、在线工具和软件预测信息及文献资料信息对代谢网络草图进行优化,构建了B.japonicumUSDA110基因组规模代谢网络模型iYY1065。该模型包含1053个反应、663个代谢物,涉及1065个基因,占B.japonicumUSDA110基因总数的12.8%。通过对模型施加特定的目标函数和最简底物输入集分别确定了自生(FL)、共生固氮含支链氨基酸转运(SNF1)和共生固氮不含支链氨基酸转运(SNF2)三个生理状态对应的特性代谢网络模型。基于所构建的代谢网络,通过流平衡分析对自生和共生固氮状态进行模拟。模拟了iYY1065模型对42种碳源和9种氮源的利用情况,模拟结果与实验结果相符的占60.8%,弱相符的占23.5%,不相符的占15.7%。三种特性代谢网络模型反应相关基因数据与转录组数据重叠性分别为75%(FL)、42%(SNF1)、45%(SNF2)。分别对特性代谢网络模型进行了基础代谢途径分析、KEGG代谢途径分析、代谢通路流量分析、共生固氮生理指数分析、稳健性分析和基因敲除分析。通过单基因敲除分析确定自生和共生固氮状态的必需基因分别为233个和20个,通过双基因敲除分析确定自生和共生固氮状态的必需基因对分别为123个和21个。综合上述分析结果得到两个主要假设：1)快生根瘤菌共生固氮体系中必需的宿主向类菌体的支链氨基酸转运对慢生根瘤菌共生固氮并非必需；2)与共生状态相比自生状态代谢网络具有更强的稳健性。
【作者】杨毅；
【导师】马彬广；
【作者基本信息】华中农业大学，生物化学与分子生物学，2014，硕士
【关键词】代谢网络；流平衡分析；共生固氮；大豆慢生根瘤菌USDAl10；支链氨基酸转运；网络稳健性；

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