嗜热链球菌是“公认安全性(GRAS)”菌株,被广泛应用于一些重要发酵乳制品的工业生产中,是继乳酸乳球菌之后的第二个重要的工业用乳酸菌物种,市场价值约400亿美元。由于分子生物学研究手段的限制,传统的微生物研究多集中于根据生理生化试验及分子生物学实验研究菌株某些性能以及形成机制,研究范围限于单个基因的功能,或者少数几个基因之间的相互作用,而且需要大量的人力及物力。随着测序技术逐渐成熟、成本的降低,微生物基因组测序变得普及使得研究人员可以从生物信息的方法分析和预测生物的遗传学特征和功能,如基因的功能、多基因之间的相互作用、生理生化代谢途径、基因的表达调控,并设计出针对性更高的实验方案,节约科研成本。为了从遗传角度上更加深入的分析与评价具有自主知识产权的快速产酸、高产黏的嗜热链球菌KLDS SM应用于乳制品发酵的性能,同时挖掘该菌株的潜在功能,本研究对嗜热链球菌KLDS SM进行了全基因测序,绘制基因组图谱。利用COG与KEGG数据库对编码的蛋白进行了注释,使用生物信息分析软件与方法从基因组水平上详细分析了菌株KLDS SM的环境适应性(糖代谢、蛋白质水解系统、胁迫应答、双组份系统、协同作用、基因组岛、假基因)、生物合成(胞外多糖、氨基酸、B族维生素)及防御系统(CRISPR/Cas系统、限制修饰系统、细菌素)三个方面。同时与NCBI公布的已完成全基因组测序的14株嗜热链球菌进行比较,重点分析了菌株KLDS SM在胞外多糖、氨基酸与B族维生素的合成及CRISPR/Cas系统4个方面的潜力以及其潜在特有的功能。最后对菌株KLDS SM在遗传上表现优异的功能进行了初步的实验验证,并且测定了该菌同保加利亚乳杆菌组合发酵与单菌发酵EPS产量。经分析后得到以下结果:(1)菌株KLDS SM的基本特征分析。KLDS SM基因组由一个1,856,787 bp环状染色体组成,GC含量为39.08%。共预测到1,950个基因,其中1,732个蛋白编码基因,129个假基因,6个r RNA操纵子,67个t RNA基因及4个nc RNA基因。分别有1,400个与1,046个蛋白编码基因注释到COG数据库及KEGG数据库中。(2)菌株KLDS SM的环境适应性分析。该菌株能够转运且利用葡萄糖、乳糖、蔗糖、甘露糖与β-葡萄糖苷,经糖酵解途径生成L-乳酸,但不具有完整的柠檬酸途径及磷酸戊糖途径;有完整的蛋白水解系统;可编码多个与胁迫相关的蛋白,且多与酸、氧与热胁迫有关;有4组完整且具有功能的TCS,参与调解自身细菌素的合成及生物膜的形成等过程;预测出9个基因组岛多与生物合成、代谢、防御、转运与转录调节相关;蛋白编码基因中假基因占6.9%,与糖类的转运、代谢及氨基酸的合成、转运等方面有关。(3)菌株KLDS SM的生物合成分析。该菌具有一个同高产胞外多糖的菌株ASCC 1275高度一致(99%identity)的胞外多糖基因簇,初步测定胞外多糖的产量约331 mg/L;其可合成His、Trp、Ser、Cys、Gly、Val、Leu与Ala 8种氨基酸,其中Val、Leu、Trp为人体必需氨基酸,且15株菌的氨基酸合成能力相对保守;可从头合成叶酸,但无法合成其他B族维生素,15株菌的B族维生素生物合成能力差异不大。(4)菌株KLDS SM的防御系统。该菌有4个CRISPR/Cas系统,预测CRISPR位点的活性由强到弱为CRISPR1>CRISPR4>CRISPR3>CRISPR2,而位点2的CRISPR/Cas系统发生了退化;R-M系统并不丰富,仅有2个完整的I型R-M系统;基因组中存在2个细菌素合成的基因簇,但合成羊毛硫抗生素的基因簇发生了退化。(5)与15株嗜热链球菌的比较基因组分析。基因组之间具有非常保守的同线性,泛基因组由4,094个基因组成且呈开放型,核心基因组由1,240个基因组成。菌株KLDS SM与菌株MN-BM-A02、菌株ASCC 1275、菌株ND07三者的亲缘关系最近,与菌株LMG 18311、菌株CNRZ1066亲缘关系较远。(6)单菌、组合发酵EPS产量的比较结果表明,组合发酵均较单菌发酵产EPS多。在发酵4-8 h时,KLDS SM与KLDS 08007组合发酵产生EPS的速率最快,速率约为18.9 mg/L·h,且最终产生的EPS最多,约为158 mg/L。本研究的结论如下:(1)基因组分析证实菌株KLDS SM具有高产EPS基因簇,具有高产EPS的潜力,可为筛选高产EPS的嗜热链球菌提供借鉴。(2)基因组分析证实菌株KLDS SM具有完善的CRISPR/Cas系统,具有有效的抵抗噬菌体感染的能力。(3)初步验证KLDS SM与KLDS 08007联合发酵24小时,EPS产量最高。在发酵4 h和8 h时,EPS产生速率最快。本研究结果可以为更好的理解嗜热链球菌与保加利亚乳杆菌组合发酵提高胞外多糖产量的机理提供理论依据。