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

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

作者:师大云端图书馆 时间:2020-03-25 分类:硕士论文 喜欢:1460
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【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;

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