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文檔簡介
1、嗜熱鏈球菌是“公認(rèn)安全性(GRAS)”菌株,被廣泛應(yīng)用于一些重要發(fā)酵乳制品的工業(yè)生產(chǎn)中,是繼乳酸乳球菌之后的第二個重要的工業(yè)用乳酸菌物種,市場價值約400億美元。由于分子生物學(xué)研究手段的限制,傳統(tǒng)的微生物研究多集中于根據(jù)生理生化試驗及分子生物學(xué)實驗研究菌株某些性能以及形成機制,研究范圍限于單個基因的功能,或者少數(shù)幾個基因之間的相互作用,而且需要大量的人力及物力。隨著測序技術(shù)逐漸成熟、成本的降低,微生物基因組測序變得普及使得研究人員可以從
2、生物信息的方法分析和預(yù)測生物的遺傳學(xué)特征和功能,如基因的功能、多基因之間的相互作用、生理生化代謝途徑、基因的表達(dá)調(diào)控,并設(shè)計出針對性更高的實驗方案,節(jié)約科研成本。為了從遺傳角度上更加深入的分析與評價具有自主知識產(chǎn)權(quán)的快速產(chǎn)酸、高產(chǎn)黏的嗜熱鏈球菌KLDS SM應(yīng)用于乳制品發(fā)酵的性能,同時挖掘該菌株的潛在功能,本研究對嗜熱鏈球菌KLDS SM進(jìn)行了全基因測序,繪制基因組圖譜。利用COG與KEGG數(shù)據(jù)庫對編碼的蛋白進(jìn)行了注釋,使用生物信息分析
3、軟件與方法從基因組水平上詳細(xì)分析了菌株KLDS SM的環(huán)境適應(yīng)性(糖代謝、蛋白質(zhì)水解系統(tǒng)、脅迫應(yīng)答、雙組份系統(tǒng)、協(xié)同作用、基因組島、假基因)、生物合成(胞外多糖、氨基酸、B族維生素)及防御系統(tǒng)(CRISPR/Cas系統(tǒng)、限制修飾系統(tǒng)、細(xì)菌素)三個方面。同時與NCBI公布的已完成全基因組測序的14株嗜熱鏈球菌進(jìn)行比較,重點分析了菌株KLDS SM在胞外多糖、氨基酸與B族維生素的合成及CRISPR/Cas系統(tǒng)4個方面的潛力以及其潛在特有的功
4、能。最后對菌株KLDS SM在遺傳上表現(xiàn)優(yōu)異的功能進(jìn)行了初步的實驗驗證,并且測定了該菌同保加利亞乳桿菌組合發(fā)酵與單菌發(fā)酵EPS產(chǎn)量。
本研究主要內(nèi)容包括:⑴菌株KLDS SM的基本特征分析。KLDS SM基因組由一個1,856,787 bp環(huán)狀染色體組成,GC含量為39.08%。共預(yù)測到1,950個基因,其中1,732個蛋白編碼基因,129個假基因,6個rRNA操縱子,67個tRNA基因及4個ncRNA基因。分別有1,400個
5、與1,046個蛋白編碼基因注釋到COG數(shù)據(jù)庫及KEGG數(shù)據(jù)庫中。⑵菌株KLDS SM的環(huán)境適應(yīng)性分析。該菌株能夠轉(zhuǎn)運且利用葡萄糖、乳糖、蔗糖、甘露糖與β-葡萄糖苷,經(jīng)糖酵解途徑生成L-乳酸,但不具有完整的檸檬酸途徑及磷酸戊糖途徑;有完整的蛋白水解系統(tǒng);可編碼多個與脅迫相關(guān)的蛋白,且多與酸、氧與熱脅迫有關(guān);有4組完整且具有功能的TCS,參與調(diào)解自身細(xì)菌素的合成及生物膜的形成等過程;預(yù)測出9個基因組島多與生物合成、代謝、防御、轉(zhuǎn)運與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)
6、相關(guān);蛋白編碼基因中假基因占6.9%,與糖類的轉(zhuǎn)運、代謝及氨基酸的合成、轉(zhuǎn)運等方面有關(guān)。⑶菌株KLDS SM的生物合成分析。該菌具有一個同高產(chǎn)胞外多糖的菌株ASCC1275高度一致(99% identity)的胞外多糖基因簇,初步測定胞外多糖的產(chǎn)量約331 mg/L;其可合成His、Trp、Ser、Cys、Gly、 Val、Leu與Ala8種氨基酸,其中Val、Leu、Trp為人體必需氨基酸,且15株菌的氨基酸合成能力相對保守;可從頭合
7、成葉酸,但無法合成其他B族維生素,15株菌的B族維生素生物合成能力差異不大。⑷菌株KLDS SM的防御系統(tǒng)。該菌有4個CRISPR/Cas系統(tǒng),預(yù)測CRISPR位點的活性由強到弱為CRISPR1>CRISPR4>CRISPR3>CRISPR2,而位點2的CRISPR/Cas系統(tǒng)發(fā)生了退化;R-M系統(tǒng)并不豐富,僅有2個完整的Ⅰ型R-M系統(tǒng);基因組中存在2個細(xì)菌素合成的基因簇,但合成羊毛硫抗生素的基因簇發(fā)生了退化。⑸與15株嗜熱鏈球菌的比較
8、基因組分析?;蚪M之間具有非常保守的同線性,泛基因組由4,094個基因組成且呈開放型,核心基因組由1,240個基因組成。菌株KLDS SM與菌株MN-BM-A02、菌株ASCC1275、菌株ND07三者的親緣關(guān)系最近,與菌株LMG18311、菌株CNRZ1066親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。⑹單菌、組合發(fā)酵EPS產(chǎn)量的比較結(jié)果表明,組合發(fā)酵均較單菌發(fā)酵產(chǎn)EPS多。在發(fā)酵4-8 h時,KLDS SM與KLDS08007組合發(fā)酵產(chǎn)生EPS的速率最快,速率約
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