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细菌完成图,即对细菌基因组采用PacBio第三代单分子测序技术进行从头测序及拼接、组装,从而获得全基因组序列图谱,组装效果达到1 Scaffold,0 gap,是细菌基因组测序组装的最高标准。通过组装及信息分析可以更好地了解个体遗传特征,预测重要基因和蛋白以及了解其功能和可能机制;在研究病原菌的致病性与疾病的预防和治疗方面,可以鉴定致病相关基因、开发和研究疫苗、开发新型抗生素等;在研究细菌进化方面,可以研究种内进化关系。




纤维素合成菌株Komagataeibacter nataicola RZS01的完整基因组图谱绘制


Complete genome sequence of the cellulose-producing strain Komagataeibacter nataicola RZS01


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研究背景


Komagataeibacter nataicola RZS01菌株是细菌纤维素产生的模式生物,并且Komagataeibacter nataicola  RZS01对培养环境中的乙醇和乙酸有着极强的适应性,这一特点使得它对于工业生产来说是一种理想的菌株类型。目前对于Komagataeibacter nataicola RZS01的基因组信息并不清楚,因此本研究利用第三代单分子测序技术精细绘制了Komagataeibacter nataicola RZS01菌株的完整基因组图谱。

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研究思路


    基因组组装及特征分析

 完整的Komagataeibacter nataicola RZS01基因组由1条3,485,191bp的环形细菌染色体和6条质粒DNA组成,质粒DNA大小在25,776bp~102,282bp不等,染色体GC含量为61.49%。通过基因预测软件分析发现RZS01基因组含有3,609个开放阅读框,其中蛋白编码基因有3,514个。在 Komagataeibacter nataicola RZS01基因组上发现了两个跟纤维素合成相关的操纵子。

    基因组组装及特征分析

从RZS01的基因组编码蛋白注释结果可以看出,两个最大的注释类群来自碳水化合物(231个蛋白)和氨基酸代谢相关(277个蛋白),这也与RZS01菌株的生理特性相符合。

    比较基因组学和进化树分析

本研究中通过16s rDNA测序将Komagataeibacter nataicola RZS01与Acetobacteracea科其它13个已知基因组的物种之间进行进化树分析比较发现,RZS01与Komagataeibacter xylinus E25、Komagataeibacter medellinensis LMG 1693、和Gluconacetobacter hansenii ATCC 23769亲缘关系最近。

    纤维素合成相关基因分析

细菌纤维素的合成主要受纤维素合酶bcs基因的表达调控。在Komagataeibacter nataicola RZS01细菌染色体上发现了一系列的纤维素合酶基因,它们主要存在于两个bcs操纵子上。在bcs1操纵子上含有纤维素合酶基因bcsA、bcsB、bcsC、bcsD以及参与纤维素合成的基因cmcaxbglxA等。此外,在基因组另外的位置上还存在bcs2操纵子,主要由bcsA、bcsC、bcsXbcsY组成,这也从基因水平找到了细菌纤维酶合成的分子基础。

    底物代谢和耐酸机制分析

Komagataeibacter nataicola RZS01依赖于各种transporters来转运各种底物和离子,本研究在Komagataeibacter nataicola RZS01基因组中发现了49个ABC transporters、10个协同转运子(symporters)和47 个透性酶 (permeases), 这些对于细菌转运糖类、乙酸、山梨醇具有重要功能。ABC transporters基因aat A能够将细菌体内的乙酸不断泵出,保证了细菌能够适应酸性环境。同时Komagataeibacter nataicola RZS01基因组编码多个膜结合的脱氢酶(详细信息参照表一),这些脱氢酶能够帮助酸性底物氧化使得乙酸进一步代谢成水和二氧化碳,增强细菌耐酸性。


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研究结论

      

本研究利用第三代单分子测序技术精细绘制Komagataeibacter nataicola RZS01菌株0 gap的完整基因组图谱。并通过进一步对基因结构和功能的分析阐释细菌纤维素的代谢通路以及醋酸菌耐酸的分子基础。

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参考文献

      

Zhang H,  Xu X, Chen X,et al. Complete genome sequence of the cellulose-producing strain Komagataeibacter nataicola RZS01.Scientific Reports,2017,7, 4431.


Q  对于细菌基因组 de novo 测序,三代测序技术与二代相比优势是什么?

A  细菌基因组一般具有相对较小、重复序列较高、易于突变等特点。二代测序存在读长较短,难以跨越重复序列,基因组覆盖不均匀等问题,而三代单分子测序由于其超长读长、无GC偏好性等技术优势能够完美解决细菌基因组中的重复序列问题,对于GC含量正常和异常的菌株,都能很好地解决测序不均匀的问题。此外,细菌基因组较小,利用三代测序需要较少的数据量就能获得高质量的基因组图谱,性价比高。

Q  细菌完成图的高级分析有哪些?

A  主要是比较基因组学分析,包括4个方面: ①Mummer共线性分析 ②Blast共线性分析 ③Cor-Pan基因 ④基因家族分析。

Q  细菌完成图能否组装出质粒信息?

A  细菌细胞内一般会存在数量不等的质粒,细菌基因组完成图可以组装出部分质粒信息,但是由于质粒的数目不等和序列相似性较高,不一定能够组装出所有质粒的序列信息。

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