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类芽孢杆菌以其多样化的产物和功能,成为应用广泛的工农业微生物。目前已不不同环境下分离出2000多个分离株,但完成测序的基因组数量有限,阻碍了对其进一步开发利用以及基础研究。Paenibacillussp.Aloe-11是本实验室从芦荟(Aloechinensis)根部分离得到的一株植物内生细菌。该细菌能产生广谱抗菌活性物质及表面活性素,具有固氮作用,同时对动物具有促进生长和加强免疫等作用。因此,Paenibacillussp.Aloe-11在农业、医药、工业上都有潜在的应用价值。对Paenibacillussp.Aloe-11进行全基因组测序,在理论研究和应用开发上都有重要的意义。
1、基因组测序与注释
本研究采用第二代高通量测序方法IlluminaSolexa对Paenibacillussp.Aloe-11进行了全基因组鸟枪法测序,对测序原始数据过滤掉低质量片段后,获得10,147,096条高质量Reads,共913.2Mb数据,整体覆盖度165倍。采用SOAPdenovo软件拼接组装,同时进行必要的PCR重复测序以校正序列,最终获得了Paenibaeillussp.Aloe-11基因组草图。基因草图共52条scaffold,组装大小5,812,362bp,G+C含量46.62%.通过使用Glimmer以及Genemark软件对基因组进行基因预测,并采用了nr、COG、Pfam、Prosite、Trigrfam等数据库进行了注释。Aloe-11共有5,275个ORF,ORF的平均长度为825bp,编码基因的序列占整个染色体的80.9%。使用tRNAscan-SE预测tRNA73个,采用mammer以及BLASTN相似性搜索确定rRNA12个。基因组序列提交GenBank,接受号为NZ_AGF100000000。
2、基因组代谢与调控分析
对Paenibacillussp.Aloe-11基因组进行分析发现,基因组中参与各种物质代谢的途径最多,其次是膜转运和遗传信息处理。在Alloe-11存在完整的三羧酸循环,以及糖酵解和磷酸戊糖途径。能转运和代谢葡萄糖,蔗糖,半乳糖(galactose),阿拉伯糖(arabinose),鼠李糖(rhamnose)果糖与甘露糖(mannose)等小分子物质,以及分泌水解酶,如葡聚糖酶,纤维素酶,淀粉酶等利用环境中的大分子糖类。在Paenibacillussp.Aloe-11的基因组中包含有代谢常规氨基酸以及部分D型氨基酸。同时还发现固氮酶基因簇nifBHDKENX,可以将空气中游离的氮气转化为氨,这也是第一个完成基因组测序的固氦类芽孢杆菌。基因组中存在许多参与次生代谢的基因,其中多为非核糖体合成酶,据推测它们可能分别与Fusarieidin,Iturin,GramicidinS,Bacitracin等抗菌肽的产生有关。这些基因的存在很好的说明了Paenibacillussp.Aloe-11能产生广谱抗菌活性物质的特性。同时还发现一个非核糖合成酶基因簇lchABCD与表面活性素lichenysin的产生有关,表面活性素可以降低表面张力,提高细菌运动能力。该基因组中包含两种产生铁载体的合成途径,可以提高细菌在环境中的适应能力以及侵染能力。
在Aloe-11基因组中,能编码667个转录因子,其中HTH类型占绝大多数,这些转录因子在微生物的生理和代谢途径中起激活或抑制作用。同时,还160个基因编码双组件调节系统(TCS),能对温度,细胞密度,氧气浓度,离子浓度,以及抗生素等外界环境作出应答,调控相关基因的表达。另外还发现了许多基因能编码转录后加工过程的蛋白,这些蛋白包括分子伴侣CsaA和Hsp33,Hsp90,Hsp60,Hsp70,GrpE,以及冷休克蛋白(Coldshockprotein,CspC)等。
3、比较基因组学分析
比较基因组学分析表明Paenibacillussp.Aloe-11与近缘已测序物种在功能基因分布上存在不同程度的差异。Paenibacillussp.Aloe-11与PaenibacillusterraeHPL.003有更多的共同基因,其次是PaenibacilluspolymyxaSC2。进一步对已完成测序19个Paenibacillus基因组比较发现,该属不同种的基因组在共线性、代谢与功能上存在着较大差异,反映了类芽孢杆菌属的多样性。根据基因功能上的差异程度,已完成基因组测序的Paenibacillus属成员主要可以分为三个大类,不同类之间不论在基因组大小,GC含量,还是在基因结构上都存在较大差异。第一个分枝包含9个基因组,以模式种Paenibacilluspolymyxa为代表。第二个分枝有8个成员,它们的基因组相对另两个分枝较大,一般都超过6M,而且GC含量相对略高,一般超过50%。第三个枝则只包括两个Paebacilluslarvae种,从基因功能与基因组大小上都其它两类相差较远。