胶质类芽孢杆菌KNP414抗逆比较基因组及氮饥饿的转录组分析

【摘要】胶质类芽孢杆菌广泛分布于土壤中，尤其在贫瘠土壤中分布较多。该菌可分解不溶性矿物，释放钾、磷等土壤元素，并具有絮凝、固氮等功能，使其广泛利用于农业生产、污水处理等领域。研究该菌适应贫瘠、废水等胁迫环境的机制对进一步拓展的应用领域具有现实意义。本论文通过比较基因组学及氮饥饿条件下的转录组分析对KNP414菌株抗逆性相关基因进行初步研究，以阐明KNP414菌株在氮营养匮乏条件下的应激反应及其适应机制。首先，将KNP414菌株的基因组与另外4株类芽孢杆菌（Paenibacillussp.Y412MC10、Paenibacillussp.JDR-2、PaenibacilluspolymyxaE681、PaenibacilluspolymyxaSC2）的基因组进行比较分析，发现该菌的基因组具有胞外多糖合成、芽孢形成、氮代谢应激等多种抗逆性相关基因。胞外多糖合成相关基因的比较基因组分析表明：菌株KNP414的基因组中存在胞外多糖合成所需的成套基因：单糖合成及其活化、糖基转移酶和多糖转运蛋白基因等。这些基因所涉及的单糖包括甘露糖、半乳糖、鼠李糖、果糖；活化的核苷酸单糖包括GDP–D-甘露糖、GDP-β-L-半乳糖、dTDP-L-鼠李糖、ADP-葡萄糖、dTDP-D-葡萄糖、GDP-果糖；编码糖基转移酶的基因有44个，这些基因大部分处于3个基因簇中，其中基因簇I所含基因最多，包括10个编码糖基转移酶的基因、4个胞外多糖合成相关基因和5个编码核苷酸糖合成酶的基因；编码多糖转运蛋白的基因有178个，这些转运蛋白参与麦芽糖、麦芽三糖、半乳糖寡糖、棉子糖、阿拉伯糖、乳糖、蔗糖、甲基葡萄糖醛低聚木糖等寡糖的转运。另外，KNP414菌株的基因组缺乏葡萄糖-6-磷酸酶和木糖合成基因，但存在甲基葡萄糖醛低聚木糖转运和水解蛋白基因簇，这些基因可能为多糖合成过中木糖单元的供应提供条件。芽孢是芽孢杆菌适应逆境胁迫的常用方式。比较基因组分析表明，KNP414菌株的基因组中拥有典型的芽孢形成调控与结构基因，其中5个主要的调控基因为spo0A、sigE、sigF、sigK、sigG。氮代谢应激相关基因的比较基因组分析结果表明：KNP414菌株拥有两条氨同化途径，一条为谷氨酰胺合酶途径，该途径将氨同化为谷氨酰胺；另一条为谷氨酸脱氢酶途径，该途径将氨同化为谷氨酸。与其它4个类芽孢杆菌菌株相比，KNP414菌株拥有两个独特的氨基酸代谢途径：其一为组氨酸降解途径，将组氨酸降解为谷氨酸；其二为天冬酰胺合成途径，将天冬氨酸转化为天冬酰胺。另外，在KNP414菌株的基因组内没有发现典型的固氮酶基因，但发现与固氮相关的基因nifU，该基因位于一个Fe-S簇转移相关的基因簇中。其次，研究了KNP414菌株在氮饥饿状态下的表型及转录组学分析。表型分析表明，氮饥饿条件下，KNP414菌株在培养3h后即开始形成荚膜，11h后即形成芽孢并且荚膜形成相对稳定，并有较多的芽孢形成，为此进一步分析11h的转录组。转录组分析结果表明，KNP414菌株的基因组中有多个与多糖合成、芽孢形成、氮代谢应激相关基因的表达量发生显著变化。对19个显著变化的基因进行荧光定量PCR验证，结果表明转录组数据准确可靠。多糖合成相关基因的表达：氮饥饿条件下，果糖-6-磷酸合成相关基因的表达显著上调，果糖-6-磷酸可转化为多种核苷酸单糖；但其它单糖合成相关基因的表达未见显著提高。同时，多种核苷酸糖合成相关基因的表达显著上调，包括dTDP-L-鼠李糖、ADP-葡萄糖、dTDP-D-葡萄糖、GDP-β-L-半乳糖、GDP–D-甘露糖等。另外，糖基转移酶基因簇I中大部分基因显著上调，该基因簇主要编码多糖转运蛋白基因和核苷酸糖合成酶基因。芽孢形成相关基因的表达：氮饥饿条件下，与芽孢合成相关的调控基因显著上调表达，这些基因编码控蛋白Spo0A、E、F、K、G，进而调控大量芽孢结构基因的表达，最终形成芽孢。氮代谢应激相关基因的表达：氮饥饿条件下，多肽ABC转运系统相关基因、尿素分解代谢途径相关基因（ureABC）、组氨酸分解代谢途径相关基因（hut）及精氨酸分解代谢途径相关基因（rocABCDEF）显著上调表达；另外，发现11个氨同化相关基因的表达量显著上调，其中基因glnA2的表达量下调了2.7倍，基因rocG、rocG3也显著上调表达，表明氮饥饿条件下KNP414菌株大量分解多种氨基酸，并通过氨同化——主要是氨酸脱氢酶途径将分解的氨基酸转化为谷氨酸储存起来。谷氨酸在氮代谢中占据着轴心的位置，可作为细胞内大约85%氮化合物的供体，KNP414菌株通过这些途径实现氮饥饿条件下氮营养的高度节约化利用。综上所述，KNP414菌株在氮饥饿条件下，可通过胞外多糖合成、芽孢形成、氮代谢调整等多种方式实现应激性保护反应，从而适应氮饥饿等多种胁迫环境。
【作者】卢景江；
【导师】胡秀芳；
【作者基本信息】浙江理工大学，生物化学与分子生物学，2014，硕士
【关键词】胶质类芽孢杆菌；抗逆性；比较基因组；转录组；氮饥饿；

【参考文献】
[1]薛立,何跃君,屈明,吴敏,徐燕.华南典型人工林凋落物的持水特性[J].植物生态学报,2005,03:315-321.
[2]刘雄.新时期我国转业军官安置制度研究[D].湖南大学,公共管理,2013,硕士.
[3]高骉.侗族鼓楼世界的艺术人类学研究[D].广西民族大学,中国少数民族艺术,2013,硕士.
[4]谭超.GRAPES全球模式次网格对流过程对云预报的影响研究[D].中国气象科学研究院,大气物理与大气环境,2013,硕士.
[5]陈建刚.论庚信诗文风格之变[D].湘潭大学,中国古代文学,2003,硕士.
[6]杨乐.公民个人信息的刑法保护研究[D].贵州民族大学,刑法学,2014,硕士.
[7]余圆圆.纤维素酶修饰及其对纤维素纤维作用的研究[D].江南大学,纺织工程,2014,博士.
[8]雷滨.ERP实施十大要点[J].中国电子商务,2002,09:52-57.
[9]郭子源.享乐主义购物价值对预付卡消费意愿影响研究[D].上海交通大学,企业管理,2014,硕士.
[10]李斐,郭金旭,戴焯,韦政.自来水营业收费管理系统的研究与开发[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2004,05:103-106.
[11]王孟.十字形标记点定位技术研究[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[12]茅海燕.建构主义视野中的国际无政府状态[D].苏州大学,政治学理论,2003,硕士.
[13]刘荣彬.NRP1靶向肽的筛选、鉴别、应用[D].广州医科大学,影像医学与核医学,2014,硕士.
[14]王崇刚.他达拉非对野百合碱诱导肺动脉高压大鼠模型肺动脉重构的影响研究[D].郑州大学,外科学,2013,硕士.
[15]龙英,潘恒.基于全集成自动化平台的转炉控制系统[J].冶金自动化,2007,01:58-60.
[16]郑雁,荆留纪,刘少桐.大型六头直廓环面蜗杆副的设计与制造[J].一重技术.1996(02)
[17]李阳勇.新型壳聚糖伤口敷料治疗下肢慢性血管性溃疡的临床研究[D].广州医科大学,外科学（专业学位）,2014,硕士.
[18]赵竞.硼化物共晶陶瓷燃烧合成熔铸的模型分析及微观结构[D].哈尔滨工业大学,材料学,2013,硕士.
[19]温维新.ZM5镁合金固态扩渗表面合金化改性处理及改性层的组织性能研究[D].西安建筑科技大学,冶金工程,2004,硕士.
[20]李蓓.汉语文本驱动的人脸动画演示系统设计[D].武汉理工大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[21]范丽丽.X波段大功率耦合腔行波管自激振荡的抑制[D].电子科技大学,电子通信工程（专业学位）,2012,硕士.
[22]张勇刚,黄玉龙,李宁,赵琳.带一步随机延迟量测非线性序列贝叶斯估计的条件后验克拉美罗下界[J].自动化学报,2015,03:559-574.
[23]张艳欣.导数—原子捕集—火焰原子吸收光谱法在中草药微量元素分析中的应用研究[D].河北大学,分析化学,2002,硕士.
[24]危昆桥.甲状腺相关眼病眼眶CT定量测量及亚型分析[D].第二军医大学,眼科学（专业学位）,2013,硕士.
[25]蒋红伟,姜少飞,李吉泉,郑维.基于Moldflow的多组件塑料喷头的模具设计[J].轻工机械,2013,01:4-8.
[26]龙建宇.列宁党内监督思想研究[D].湖南师范大学,马克思主义基本原理,2014,硕士.
[27]隋红红.推动我国绿色建筑发展的政策法规研究[D].北京交通大学,2012.
[28]秦方.基于IMIA国际倡议的我国医学信息管理本科课程体系构建[D].华中科技大学,情报学,2013,硕士.
[29]许逸.故障电弧断路器的研究[D].沈阳工业大学,电机与电器,2013,硕士.
[30]李长丽.慢性肾脏病患者动态血压变化与中医辨证分型的相关性研究[D].湖北中医药大学,中医内科学（专业学位）,2013,硕士.
[31]邓永先,蒋剑松,钟光祥.氟氯烟酰乙酸乙酯的合成与应用[J].浙江化工,2015,03:12-16.
[32]李娜.对外汉字教学中的象形字教学研究[D].内蒙古师范大学,汉语国际教育（专业学位）,2013,硕士.
[33]赵学雷.基于多传感器信息融合的载荷及煤岩判定与识别技术研究[D].中国矿业大学（北京）,2011.
[34]张倩.有限制开放式基金的申购赎回机制及其绩效研究[D].郑州大学,金融学,2013,硕士.
[35]王珍.互动教学在中学地理课堂教学中的运用[D].河北师范大学,学科教学,2013,硕士.
[36]许洁.《五灯会元》时间词语研究[D].安徽大学,汉语言文字学,2013,硕士.
[37]余中光.急诊专科医师不同成长阶段胜任力评价指标研究[D].北京中医药大学,社会医学与卫生事业管理,2013,硕士.
[38]范津齐.基于模糊自整定PID算法的电锅炉温度控制[D].沈阳理工大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[39]邵晨.肿瘤坏死因子-α作用下椎间盘退变动物模型的建立[D].蚌埠医学院,外科学,2013,硕士.
[40]吴佳熙.二阶多个体系统的一致性研究及应用[D].北方工业大学,应用数学,2013,硕士.
[41]熊宁,程浩忠,马则良,朱忠烈.发电机出力成本与负荷裕度置换度指标的NBI求解方法[J].电力系统自动化,2010,05:34-37+115.
[42]何亮.电化学方法表征超分子凝胶的研究[D].华中科技大学,分析化学,2013,硕士.
[43]黄锐锋.变电站接地网接地电阻近距离测量与短路电流分布计算[D].华北电力大学（河北）,电工理论与新技术,2004,硕士.
[44]刘宏亮.基于四面体结构的蒙特卡罗方法的GPU加速[D].西安电子科技大学,模式识别与智能系统,2012,硕士.
[45]任恒.基于密钥池的无线传感器网络密钥管理[D].湖南大学,信息与通信工程,2012,硕士.
[46]唐琼.独立设置成人高等院校退出研究[D].湖南大学,教育学,2012,硕士.
[47]单君兰.中俄能源合作影响因素研究[D].天津财经大学,国际贸易学,2012,硕士.
[48]王兴赫.IBDV感染SPF雏鸡主要器官组织病理变化及病毒的体内分布[D].东北农业大学,基础兽医学,2013,硕士.
[49]许丹.钙钛矿结构La_(2/3-x)Y_xCa_(1/3)MnO_3的制备以及拉曼与红外光谱分析[D].安徽大学,材料物理与化学,2013,硕士.
[50]赵志荣.个性化搜索引擎的研究、设计与实现[D].四川大学,2002.