Paenibacillus mucilaginosus KNP414全基因组测序及分析

【摘要】：胶质类芽孢杆菌(Paenibacillus mucilaginosus) KNP414系分离自浙江天目山具解磷、解钾及固氮能力的多功能硅酸盐细菌,被广泛应用于农业、冶金、陶瓷、废水处理等领域。本论文对菌株P. mucilaginosus KNP414进行了全基因组测序及生物信息学分析,以期为深入研究该菌的基本遗传特征、环境适应能力、多功能机制及其代谢调控奠定基础。 首先,论文采用全基因组鸟枪法测定了P. mucilaginosus KNP414的全基因组序列。构建插入长度分别为400bp、2kb和6kb的基因组文库,采用Illumina公司开发的Solexa测序平台进行测序,结果得到5680318、11019228和15603038条reads,其覆盖度分别为基因组的53.8、96.6和147.7倍。对这些数据进行去除低质量reads和冗余序列、校正错误的reads等处理,获得5517056、8815902和1177438条reads,其覆盖度为53.5、61.8和11.1倍。采用改进方法对处理后的数据进行组装,成功获得全基因组序列,显示了该组装方法的优越性。 其次,根据基因组序列对菌株P. mucilaginosus KNP414的基本遗传信息进行了初步分析。分析表明,P. mucilaginosus KNP414的基因组为一条长约8,557,776bp的环状染色体,GC含量为58.45%,共编码7828个基因,82个tRNA基因和13个RNA操纵子。预测发现该菌株具有大量的插入序列、串联重复序列和长末端重复序列,其中插入序列的存在暗示该菌株在进化过程中发生了大规模的基因片段插入与缺失。COG分析表明,菌株KNP414编码了丰富的信号转导因子及复杂的糖代谢网络。该菌株可有效利用果糖、甘露糖、半乳糖、淀粉、蔗糖、氨基糖、核甘酸糖、丙酮酸盐、乙醛酸盐、C5分支的二元酸、肌糖、维生素C和普鲁派奴卡因等,并从中首次发现CO2固定的相关途径及固氮相关基因。 将菌株KNP414与其它3株已测序的类芽孢杆菌P. sp. JDR-2、P. polymyxa E681和P. polymyxa SC2进行比较基因组学分析。对基因组基本特征、共线性、功能分类及基本代谢的比较分析表明,4株类芽孢杆菌的基因组同源性较低;菌株KNP414在COG分类中的类别G和类别T远远高于其它菌株,推测改菌株在糖代谢和信号转导中的代谢比较旺盛;此外,菌株KNP414在氮代谢、二氧化碳的固定代谢、甘油磷脂代谢、丙酮酸盐代谢、ABC转运系统、乙醛酸和二羧酸等代谢比较活跃,有较多独特的基因参与代谢活动。 比较双组分系统分析表明,双组分系统的信号转导蛋白含量与类芽孢杆菌的环境适应能力密切相关。菌株KNP414基因组所含双组分系统信号蛋白的数目高于其它菌株,显示出该菌株含有较多的独特代谢途径,主要涉及氮素同化、碳存储调控、细菌趋化性、孢子的形成机制、重金属耐受等方面。这些独特的代谢途径可能是P. mucilaginosus KNP414长期适应贫瘠土壤的结果。 总之,多功能菌株P. mucilaginosus KNP414基因组的首次亮相,将为已有50多年研究历史的胶质芽孢杆菌深入研究带来新的契机,其间发现的多个研究视觉将有望赋予该菌在自然界物质循环中的新角色。P. mucilaginosus KNP414全基因组的测序将为该菌株的研究和应用提供了良好的理论基础。