胶质芽孢杆菌结构基因组研究进展
摘要：本文研究了胶质芽孢杆菌的结构基因组，对两株测序完整的胶质芽孢杆菌的基因组大小、组成、结构及分析方法进行论述，为今后研究胶质芽孢杆菌功能基因做铺垫，对研究胶质芽孢杆菌的应用具有重要的意义。
关键词：胶质芽孢杆菌 结构基因组 功能基因组 应用
一.胶质芽孢杆菌简介
胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus Krassilnikov）又称硅酸盐细菌，菌体粗长棒状、两端圆钝；在营养缺乏时，菌体产生肥厚的胞外荚膜并伴有芽孢的产生，培养后期，在菌体内会形成长椭圆形的芽孢，体型与菌体相似；菌体革兰氏染色呈阴性、细胞壁厚，被碱性番红染成紫色，芽孢为红色；胶质类芽孢杆菌最适生长温度为 28-32℃，最适 pH 值为 7.0-7.5，低于 5.0 或高于 8.0 则受抑制。胶质芽孢杆菌能分解出矿物中的钾、硅、磷，具有溶磷、释钾和固氮功能，同时能在生长繁殖过程中产生有机酸、氨基酸、多糖、激素等有利于植物吸收和利用；在土壤中繁殖后，分泌植物生长素及多种酶，增强作物对病害的抵抗，也抑制其
他病原菌的生长；菌体内的钾在菌体死亡后，游离出来，可被植物吸收利用。作为微生物肥料中的一种重要功能菌，提高土壤速效钾、磷含量，提高作物产量和品质；目前广泛应用于农业、冶金、陶瓷、废水处理等领域[1]。
二.胶质芽孢杆菌基因组研究现状
随着第一株细菌的全基因组测序，大量代表性的模式生物基因组计划 (MOGP) 和微生物基因组计划 (MPG) 相继开展。近 20 年来的统计结果显示，GenBank 每年收集的基因组测序信息几乎呈指数递增。截至 2014 年 4 月，已经被测序 (Chromosomes)或正在进行中 (Scaffolds or Contigs) 的微生物基因组有11 317株，其中2 399株为真核生物(Eukaryote)、274 株为古细菌 (Archaea)、4 562 株为细菌 (Bacteria)、4 082 株为病毒 (Viru)。胶质类芽孢杆菌属内的菌株在基因水平上存在较大差别，如菌株基因组大小存在较大变化 (4.06~8.82 Mb)，GC 含量范围比较广 (44.6%~58.4%)，不同种之间基因水平同源性较低[2]。目前基因组测序完成13株胶质芽孢杆菌，Paenibacillus mucilaginosus KNP414，Paenibacillm curdlanolyticus YK9，Paenibacillus elgii B69，Paenibacillus lactis 154，Paenibacillus larvae sub sp. larvae B-3650，Paenibacillus mucilaginosus 3016，Paeniba
cillus polymyxa E681，Paenibacillus polymyxa SC2，Paenibacillus sp. HGF5，Paenibacillus sp.HGF7，Paenibacillus sp. ]T>R-2，Paenibacillus sp. oral taxon 786 str. D14，Paenibacillusvortex V453[3]，NCBI中全基因组测序完成三株胶质芽孢杆菌，分别是翻译中文Paenibacillus mucilaginosus KNP414，Paenibacillus mucilaginosus 3016，Paenibacillus mucilaginosus k02[6]。
目前已报道的 13 株菌中仅发现 P. polymyxa M1 和 P. polymyxa SC2 存在质粒等，推测其原因，可能与这类菌基因组中存在较多的插入序列等重复序列有关系，通过重复序列的转移摄入大量的环境调控因子以适应不断变化的外界环境[3]。目前3株已完成的全基因组测序，均只有一个环状染色体，暂未发现质粒存在，与 PFGE 电泳结果相符。基因组较一般细菌较大，为 8.6~8.9 Mb，含有大量重复序列，可能是基因组在进化过程中发生了大规模的插入/缺失、倒位和基因水平转移造成的。GC 含量较芽孢杆菌属内其他菌种较高，暗示其较高的 DNA 密度和相对复杂的二级结构，蕴含着基因组起源与进化的重要信息。重复序列区域 (RP 区域 ) 的 G+C 含量明显要低于其他区域，而且该区域也是 no hits ORFs 的密集分布区。基因数量较多，平均基因密度约1 200 bp/ 个。根据比对区域大于基因长度 4
0% 并且相似度大于 40% 的基因，检索到菌株 3016 基因组中固氮基因 41 个，如主要表达调节基因 nif A、nif L，但未发现 nif H 基因[4]。
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三.Paenibacillus mucilaginosus 3016结构基因组研究
Paenibacillus mucilaginosus 3016，全基因组是一条环形染色体,没有发现质粒的存在。序列分析表明，菌株3016基因组具有以下基本特征：基因组全长8739048-bp，编码7057个ORFs，基因密度1238 bp/个，G+C含量为58.31%，有42个rRNA操纵子，同时还鉴定了 170个tRNA[7]。对基因组进行初步分析，菌株3016 DNA正负两条链都编码ORFs，其中正链编码3366个ORFs负链编码3691个ORFs，23个功能组以及未知功能组和假设功能组，共25个组[8]。釆用454高通量测序和solexa测序技术相结合的方法。菌株的全DNA测序运用生物信息学方法及计算机软件(Phred-Phrap-Cond软件包)对大规模的测序片段进行识别和组装。采用国际通用的Glimmer软件预测开放阅读框(ORF) 。用blast对ORF进行NCBI的非冗余数据库的同源性检索,以预测每个编码序列(CDS)的功能[5]。
四. Paenibacillus mucilaginosus KNP414结构基因组研究
Paenibacillus mucilaginosus KNP414，基因组含一条长 8.66382Mb 的环状染色体，其染色体的GC 含量 58.45%，共编码 7,827 个 ORFs，ORFs 平均长度 940bp，编码序列占整个染色体序列的 85.97%，共编码 107 个 tRNA、13 个 rRNA 操纵子。基因组学初步研究菌株KNP414基因组4999（63.87%）个ORFs编码产物具有明确功能，1644（21%）个ORFs编码保守的假定蛋白，剩余的15.13%个ORFs编码数据库中不存在的未知蛋白[9]。采用全基因组鸟枪法对P. mucilaginosus strain KNP414 进行全基因组测序，构建了基因组文库，染色体图采用GCView Server进行构建，利用生物软件及相关数据库对 P. mucilaginosus KNP414 的基因组进行注解与分析。KNP414 基因组的开放阅读框采用分析软件 GeneMark和 Glimmer进行预测，预测的ORFs 以及基因间序列是通过 Blast程序与 NCBI 的 Nr（非冗余蛋白质）数据库进行比对，确定 ORF 序列。tRNA 及 rRNA 操纵子分别用 tRNA-scan-SE和 RNAmmer进行预测，插入序列采用 IS finder进行分析。
通过这次学习，我了解到了研究结构基因组学所涉及的各种技术方法和分析方法，积累了知识同时也了解了胶质芽孢杆菌的基因组结构及其分子机制，这些信息为以后研究我的课题奠定基础kojima
参考文献
[1]. Properties of a new species, Bacillus mucilaginosus
[2]Jing-Jiang Lu, et al,Genome Sequence of Growth-Improving fruit可数吗Paenibacillus mucilaginosus Strain KNP414,2014小学三年级英语下册
[3]. MingchaoMa,Zhenya Wang et al,Complete Genome Sequence of Paenibacillus mucilaginosus 白萝卜的英文3016, a Bacterium Functional as Microbial Fertilizer, genome announcement ,2013
[4].A gyrB-targeted PCR for rapid identification of Paeniba cillus mucilag inosus
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[5].Characteristics of a bioflocculant produced by Bacillus mucilaginosus and its u in starch wastewater treatment
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bridgewater[6].Effect of Bacillus mucilaginosus on weathering of phosphorite and a preliminary analysis of bacterial proteins
[7]. Hu X, Li S, Wu J, et al. Transfer of Bacillus mucilaginosus and Bacillus edaphicus to t
he genus Paenibacillus as Paenibacillus mucilaginosus comb. nov. and Paenibacillus edaphicus comb. nov
[8].Comparative analysis of the complete genome quence of the plant growth-promoting bacterium Bacillus amyloliquefaciens FZB42
[9].Improvedmicrobial gene identification with glimmer.东莞韩语学校
