收藏本站
《华中农业大学》 2016年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

地衣芽孢杆菌及其γ-聚谷氨酸合成调控机理的系统生物学研究

郭静  
【摘要】:地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)是革兰氏阳性细菌,广泛地应用于多个领域:在农业方面,它可以作为一种益生菌和微生物肥料;在生物制造产业,它可以用来生产各种酶、抗生素、乙偶姻、2,3-丁二醇和γ-聚谷氨酸(Poly-γ-glutamic acid,γ-PGA)等产品。γ-PGA是一种多聚氨基酸高分子聚合物,对环境以及人体无害,能够作为重金属吸附剂、保湿剂、肥料吸收促进剂、饲料营养助剂等,广泛应用于农业、食品、饲料、化妆品、医药和污水处理等领域。本研究中的地衣芽孢杆菌WX-02菌株主要是从应城盐渍土中分离得到的。它在正常条件下可以合成γ-PGA,在高盐,高温等胁迫环境下可以高产γ-PGA。本论文综合性地分析了地衣芽孢杆菌的基因组、转录组、生物网络,并结合这几方面系统地研究了其代谢产物γ-PGA的合成调控及其在盐胁迫条件下高产的分子机理,取得了以下几方面研究结果:(1)完整地解析了地衣芽孢杆菌WX-02菌株的基因组信息,其基因组由长度为4286821 bp的一条环状染色体组成,含有4512个蛋白编码基因,24个rRNA基因及79个tRNA基因,GC含量为46.1%。(2)基于地衣芽孢杆菌WX-02完整的基因组信息,本研究测得了其在非盐胁迫和盐胁迫条件下三个时间点的链特异性转录组数据:11th h(不加入6%NaCl);22th h(加入6%NaCl后11h,短期盐胁迫);33th h(加入6%NaCl后22h,长期盐胁迫)。基于转录组数据分析识别了90个sRNA,1169个反义转录本(对应734个正义链基因)及871个操纵子结构。另外,通过DEGseq软件分析比较了非盐胁迫和盐胁迫条件下的差异表达基因(FDR≤0.001,|log2FC|≥1),发现相对于11th h而言,分别有234和1439个基因在22th h显著性的上调和下调表达;在33th h,分别有229和1427个基因显著性的上调和下调表达。而22th h和33th h只有133个基因的转录水平发生显著性变化。上述结果表明,在盐胁迫条件下大部分基因的表达水平都被显著性抑制,而短期盐胁迫和长期盐胁迫条件下的基因表达水平变化并不明显。差异表达基因中与能量代谢、氨基酸转运等相关的功能类基因上调和下调的数量基本相当,表明这些基因在盐胁迫条件下大部分被激活,从而能够提供足够的底物和能量来维持细胞生存。盐胁迫条件下,氨基酸合成相关基因,特别是与谷氨酸和脯氨酸代谢相关基因的表达水平都发生显著性变化,如gltABC(共同编码谷氨酸-α-酮戊二酸酰胺转移酶),gltP(谷氨酸转运体)及ycgMNO等都上调表达了,而gudB(编码谷氨酸脱氢酶)则下调表达了,这些基因表达水平的变化都直接或间接地促进了谷氨酸产量的增加,从而使得γ-PGA在盐胁迫环境下能够高产。(3)本研究基于直系同源及结构域映射方法构建了地衣芽孢杆菌WX-02全基因组水平的蛋白质相互作用(PPI)网络。并从蛋白质结构特征,功能相似性及转录水平相关性三方面对网络进行了评估,最终网络含有2448个蛋白及15864个PPIs,且具有高度准确性。结合转录组数据,我们探究了非盐胁迫和盐胁迫条件下PPI网络的动态变化,分别对比分析了三个时间点(11th h,22th h,33th h)对应的PPI网络,发现非盐胁迫和盐胁迫条件下PPI网络没有明显的变化且基本不受外界环境影响。另外,通过网络识别了267个不同的蛋白复合体,并注释出117个未知蛋白的功能。通过分析γ-PGA相关的子网络,发现转录调控因子CcpA与多数γ-PGA合成及调控相关的蛋白具有直接或间接的互作关系,如PgsB,GltA,GltB,Pro B,ProJ,YcgM及双信号转导系统Com P-ComA和DegS-DegU。由此推断CcpA可能在γ-PGA合成及调控中起到一个非常至关重要的作用。(4)为进一步研究地衣芽孢杆菌WX-02的基本代谢情况及γ-PGA合成调控相关的重要代谢物及路径,本研究基于地衣芽孢杆菌WX-02的基因组注释信息及目前已有的代谢信息构建得到了其代谢网络模型i WX1009,该模型含有1009个基因,1141个代谢物及1761个反应。初步得到的代谢网络模型通过PM表型芯片实验进行了校正和评估,i WX1009和表型芯片实验数据具有76.8%的一致性。表明网络模型具有高度可靠性,能够很好地模拟真实的代谢情况。通过iWX1009模型模拟,发现在LB培养基中地衣芽孢杆菌WX-02含有195个重要基因,且其中149个可以被枯草芽胞杆菌(B.subtilis)168实验数据证实。另外通过优化γ-PGA生产相关的代谢路径,发现从网络中移除5个反应(rxn00800,rxn00097,rxn05164,rxn05299及rxn00047)可以使得γ-PGA的产量最大化。另外通过网络模型我们分析推导出了γ-PGA合成的相关代谢物及代谢路径。本研究应用系统生物学方法探究了调控γ-PGA合成的潜在因子、代谢物及代谢路径,初步阐明了γ-PGA的代谢调控机理,为构建γ-PGA高效规模化生产的基因工程菌株奠定了理论基础。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:Q93

手机知网App
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 唐娟;张毅;李雷雷;林开春;;地衣芽孢杆菌应用研究进展[J];湖北农业科学;2008年03期
2 李卓佳;王少沛;曹煜成;陈素文;文国樑;;地衣芽孢杆菌与3种微藻生长的相互影响[J];农业环境科学学报;2009年04期
3 牛丹丹;石贵阳;王正祥;;分泌高效蛋白的地衣芽孢杆菌及其工业应用[J];生物技术通报;2009年06期
4 胡尚勤;生物素对地衣芽孢杆菌生长和乳酸形成的影响[J];生物工程学报;1998年01期
5 葛文霞;柳旭伟;;地衣芽孢杆菌在养殖业中的应用研究进展[J];上海畜牧兽医通讯;2014年01期
6 胡尚勤,刘天贵;地衣芽孢杆菌营养要求的研究[J];河北省科学院学报;2000年04期
7 高翔;李妍妍;徐彩云;苏秀榕;;地衣芽孢杆菌对小鼠抗疲劳和免疫调节功能的研究[J];食品工业科技;2010年09期
8 赵荧,刘宝琦,王国彦,董庆初,马鹤文,闫宝山;地衣芽孢杆菌高温α-淀粉酶的组成及光谱学性质[J];微生物学通报;1998年04期
9 杨革,陈坚,曲音波,伦世仪1;金属离子对地衣芽孢杆菌合成多聚γ-谷氨酸的影响[J];生物工程学报;2001年06期
10 潘风光,任洪林,刘海学,柳增善;地衣芽孢杆菌α-耐高温淀粉酶基因的克隆及原核表达[J];内蒙古民族大学学报(自然科学版);2004年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 吴俊罡;阎英凯;刘吉华;王梅雪;;地衣芽孢杆菌发酵过程的优化[A];中国畜牧兽医学会动物微生态学分会第三届第七次学术研讨会论文集[C];2004年
2 蒋若天;宋航;张楠;卢涛;李甜;汪伟;刘成君;;一株产a-高温淀粉酶的地衣芽孢杆菌的筛选以及其发酵条件的研究[A];第三届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2006年
3 张念海;易安妮;丛莉;吴希阳;;地衣芽孢杆菌1103的产酶、抑菌特性及其发酵条件的优化[A];“食品加工与安全”学术研讨会暨2010年广东省食品学会年会论文集[C];2010年
4 潘康成;倪学勤;吴岳;;地衣芽孢杆菌对鸡增重及肠道形态发育的影响研究[A];中国畜牧兽医学会动物微生态学分会第三届第六次学术研讨会论文集[C];2002年
5 吴海武;郭聪;易容;杜晶;周永灿;郭伟良;王世锋;谢珍玉;;产胞外脂肪酶的地衣芽孢杆菌的筛选、鉴定及其酶活测定[A];中国水产学会鱼病专业委员会2013年学术研讨会论文摘要汇编[C];2013年
6 董尚智;程萍;冯定远;左建军;董泽敏;;纳豆芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌生物学特性的研究[A];动物营养与饲料研究——第五届全国饲料营养学术研讨会论文集[C];2006年
7 黄福祥;马建彬;朱西儒;谢小保;;地衣芽孢杆菌菌株鉴定和生化特征的研究[A];第三届全国绿色环保农药新技术、新产品交流会暨第二届全国生物农药研讨会论文集[C];2004年
8 李雪影;付丙鹏;何斌;王睿勇;;角蛋白高效降解菌地衣芽孢杆菌1411-1液体发酵条件研究[A];2008年中国微生物学会学术年会论文摘要集[C];2008年
9 王炜;包慧芳;詹发强;崔卫东;山其木格;;地衣芽孢杆菌WS-6β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因的克隆及其在大肠杆菌中的表达[A];2008年中国微生物学会学术年会论文摘要集[C];2008年
10 孙冬雪;胡江春;张仲良;;宁康霉素产生菌海洋地衣芽孢杆菌BAC-9912的诱变育种[A];第三届全国绿色环保农药新技术、新产品交流会暨第二届全国生物农药研讨会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 雷凯;地衣芽孢杆菌对蛋鸡生产性能的影响及机理研究[D];浙江大学;2015年
2 郭静;地衣芽孢杆菌及其γ-聚谷氨酸合成调控机理的系统生物学研究[D];华中农业大学;2016年
3 刘冰南;地衣芽孢杆菌转化薯渣与汁水效能及其代谢机理研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
4 张荣;地衣芽孢杆菌固态发酵产地衣素及风味活性物质对白酒品质的影响[D];江南大学;2014年
5 赵述淼;猪源益生芽孢杆菌的分离筛选与应用研究[D];华中农业大学;2009年
6 肖亮;地衣芽孢杆菌MY75几丁质酶特性及表达调控元件的研究[D];南开大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 贺永明;地衣芽孢杆菌在肉仔鸡模拟消化环境中的活力、代谢物及对有害菌抑制的研究[D];山西农业大学;2004年
2 李福彬;地衣芽孢杆菌的理化特性及对蛋鸡生产性能影响机理的研究[D];河北农业大学;2010年
3 牛丹丹;高温酸性α-淀粉酶基因的定向突变及在地衣芽孢杆菌中的表达[D];江南大学;2005年
4 张箐;地衣芽孢杆菌噬菌体的侵染能力及抗性菌株的诱变筛选[D];华中农业大学;2013年
5 徐敏;地衣芽孢杆菌0204高温α-淀粉酶编码基因的克隆、序列分析和初步表达[D];江南大学;2004年
6 刘莹;拮抗菌地衣芽孢杆菌L_1的分离、培养及应用初探[D];辽宁石油化工大学;2007年
7 胡云广;地衣芽孢杆菌产抗真菌物质的分离纯化[D];华南理工大学;2011年
8 范如意;基因工程技术改造地衣芽孢杆菌实现中温α-淀粉酶高效表达[D];江南大学;2014年
9 谷春涛;地衣芽孢杆菌TS-01培养条件的研究[D];中国农业大学;2004年
10 何李黎;地衣芽孢杆菌ZJU12所产细菌素的分离纯化及其理化性质和基因克隆的研究[D];浙江大学;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026