主管:中华人民共和国农业农村部
主办:中国农业科学院农业信息研究所
主编:谢旗 研究员
1985年创刊 月刊
ISSN 1002-5464
CN 11-2396/Q
中文核心、CSCD(核心版)、中国科技核心、中国农林核心、 入选“中国科技期刊卓越行动计划”
2024年 第40卷 第3期    刊出日期:2024-03-26
上一期   
特约综述
作物全基因组选择育种技术研究进展
王欣, 徐一亿, 徐扬, 徐辰武
2024, 40(3):  1-13.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-1079
摘要 ( 110 )   HTML ( 45)   PDF (1596KB) ( 127 )  
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全基因组选择(GS)育种是根据训练群体全基因组上的分子标记基因型和表型之间的关联构建遗传模型,进而对基因型已知的待选群体进行育种值估计或表型预测,以实现对育种群体高效和精确的选择。相比于常用的分子标记辅助选择育种,GS育种无需进行标记显著性测验,特别适用于微效多基因控制的数量性状,可以缩短育种周期,降低育种成本,现已成为动、植物育种领域的一项前沿技术。然而,对受环境影响较大的作物产量等数量性状而言,仍面临着基因组预测准确性难以提升的瓶颈问题。本文首先分析了影响作物GS功效的主要因素,继而从非加性效应模型、群体构建方案、多性状与多环境预测、多组学预测和育种芯片技术现状等方面阐述了GS技术在作物育种中的研究进展,并指出研究所面临的问题和发展前景,为推动作物GS育种技术的进一步深入研究提供策略和思路。

玉米野生种基因组研究进展及应用
胡伊娃, 陈露
2024, 40(3):  14-24.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-1131
摘要 ( 72 )   HTML ( 13)   PDF (1179KB) ( 66 )  
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气候变化为粮食生产、生态系统的稳定性带来了重要的挑战。在极端气候变化下,发展适应性物种是作物遗传育种的重要目标之一。作为重要的作物之一,玉米在经历强烈的驯化瓶颈之后,已经丢失了大量的遗传多样性,特别是一些与生物和非生物胁迫相关的位点。在野生种和农家种中寻找玉米驯化过程中丢失的遗传多样性,并将其应用于现代遗传育种中,将为适应性新品种的创制提供新的契机。本文在对大刍草(玉米野生近亲)的发现及分类研究进行介绍之后,进一步总结了大刍草和玉米的性状与基因组差异,并综述了目前基于遗传学、群体遗传学、分子生物学等对大刍草和玉米之间差异遗传机理剖析的进展,多角度表明了大刍草在玉米遗传学研究中的重要性。最后,对未来气候变化下大刍草在玉米育种中的重要性提出了展望。

植物向重力反应中PIN-FORMED介导的生长素极性运输调控
王贤, 彭亚坤, 陈猛, 孔梦娟, 谭树堂
2024, 40(3):  25-40.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0882
摘要 ( 37 )   HTML ( 11)   PDF (3051KB) ( 19 )  
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植物的向性,即植物对光或重力等环境刺激信号产生的定向生长反应。在向重力性反应中,植物器官将重力感知为定向环境信号,来控制其器官的生长方向以促进生存。植物激素生长素及其极性运输在植物向重力反应中起着决定性的调控作用。质膜定位的生长素输出蛋白PIN-FORMED(PIN)通过动态的亚细胞极性定位,改变生长素运输的方向以响应环境刺激,由此植物器官间建立的生长素浓度梯度是细胞差异化伸长和器官弯曲的基础,来调控植物的形态建成和生长发育过程。本文主要讨论发生在植物重力感受细胞内早期重力感知和信号转导机制的最新研究进展、PIN介导的生长素极性运输、PIN的极性定位以及质膜蛋白丰度的调控机制等。

综述与专论
植物褪黑素:植物应答非生物胁迫的新兴信号分子
周宏丹, 罗晓萍, 涂米雪, 李忠光
2024, 40(3):  41-51.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0880
摘要 ( 51 )   HTML ( 7)   PDF (2277KB) ( 77 )  
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褪黑素(melatonin, MT)与其他传统五大类激素相比,其鉴定仅有20多年的历史,是一种新兴植物激素,是有机体中具有多种生理功能的多效信号分子。在植物中,MT被称为植物褪黑素(phytomelatonin),它不仅调节种子萌发、根系构型、气孔运动、生物节律和开花与衰老,还通过激活抗氧化系统的活力,清除活性氧(reactive oxygen species, ROS),从而减轻胁迫造成的氧化胁迫、渗透胁迫、蛋白变性和细胞损伤,最终使植物应答生物和非生物胁迫。本文基于MT代谢及其在植物应答非生物胁迫中的最新研究进展,总结MT在植物中的合成与分解代谢,归纳逆境胁迫下MT通过直接清除ROS和/或触发信号转导途径,上调抗逆相关基因表达,继而激活渗透调节系统和抗氧化系统的活力,促进逆境蛋白和次生代谢物质的合成,稳定光合作用和碳代谢,减少ROS的积累和细胞氧化损伤,最终提高植物对高温、低温、干旱、盐渍、重金属、紫外辐射和水涝等非生物胁迫的抵抗能力。本文为理解MT的代谢、生理功能及细胞信号转导途径奠定了理论基础,并指出未来的研究方向。

根系分泌物介导的植物对土传病害的抗性机制
方天一, 岳艳玲
2024, 40(3):  52-61.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0924
摘要 ( 38 )   HTML ( 9)   PDF (3501KB) ( 44 )  
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根系分泌物作为地下防御物质越来越受到关注。近年来,研究逐渐揭示了植物在病原胁迫下根系分泌物的表达特征及其在植物抗病性中的作用,一些由根分泌物介导的抗性调节机制也已被模拟。鉴于土传病害造成的损失日益增加,了解根系分泌物如何抵抗各种病原菌已成为研究热点。本文全面综述了土壤病原胁迫下根系分泌物介导的植物抗性机制,研究病原胁迫下根系分泌物的表达特征,根系分泌物在植物抗病过程中的作用,以及抗性根介导的分泌物和植物抗性的功能。讨论了当前植物病害条件下根系分泌物对植物抗性的影响,旨在为今后土传病害抗性机制的研究提供思路。

根结线虫诱导的巨型细胞及其形成机制
刘锐, 赵建龙, 谢丙炎, 李惠霞, 茆振川
2024, 40(3):  62-74.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0938
摘要 ( 29 )   HTML ( 3)   PDF (1192KB) ( 20 )  
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根结线虫(Meloidogyne spp.)是一种专性寄生线虫,具有分布广泛、寄主繁多和危害严重的特点。每年给农作物造成巨大的经济损失,是危害农作物最严重的线虫之一。侵染植物时,根结线虫会诱导根尖部位的维管束细胞重新分化形成多核的巨型细胞,将其作为线虫的取食位点和线虫生长发育过程中营养物质的唯一来源。因此,巨型细胞的形成和维持对线虫的生长和繁殖至关重要。本文从根结线虫诱导寄主植物巨型细胞的形成及调控机制,重点介绍了巨型细胞的结构特征、巨型细胞的细胞周期变化、营养物质运输、激素调节,以及寄主植物的识别和防御和表达模式,并探讨了根结线虫效应蛋白在巨型细胞形成过程中的功能。通过对巨型细胞形成和调控机制及线虫-植物相互分子机制等多层次的研究进展进行解析,揭示根结线虫的致病机理,以期为后续研究根结线虫防治创新性策略提供启发和思路。

贝莱斯芽孢杆菌生防次级代谢产物研究进展
许沛冬, 易剑锋, 陈迪, 潘磊, 谢丙炎, 赵文军
2024, 40(3):  75-88.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0867
摘要 ( 33 )   HTML ( 5)   PDF (2006KB) ( 35 )  
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贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)是生防芽孢杆菌中的重要代表,作为微生物农药的核心菌种,已被广泛应用于作物病害生物防治。贝莱斯芽孢杆菌具有植物内生性,其生防作用机制主要包括产生次级代谢产物对抗植物病原物;改善宿主植物根际微生物群落,促进宿主营养和生长;激发宿主植物产生防御反应,诱导植物获得系统抗性。其中,产生次级代谢产物是其最重要的生防作用机制。贝莱斯芽孢杆菌含有多个编码生物合成次级代谢产物的基因簇,其中包括编码聚酮化合物合酶(PKS)和非核糖体肽合成酶(NRPS)的基因簇,同时存在核糖体途径合成次级代谢产物基因簇。通过非核糖体途径可产生脂肽类化合物、聚酮类化合物、二肽和铁载体;通过核糖体途径产生小菌素、细菌素、羊毛硫抗生素。这些具有生物活性的次级代谢产物成为了天然新药和候选抗生素的储存库,对于解析生防菌作用机制具有重要意义。本文综述了贝莱斯芽孢杆菌的命名与更迭,产生次级代谢产物的类型、合成与调控基因以及靶标病原菌,以期为生防菌株的改良和生物农药的研发提供参考。

微藻盐胁迫响应分子机制研究进展
沈天虹, 齐孝博, 赵瑞丰, 马欣荣
2024, 40(3):  89-99.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0684
摘要 ( 36 )   HTML ( 6)   PDF (2294KB) ( 25 )  
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微藻是地球上光合微生物的原始种类之一,由于其生长周期较短、生长速率较快和生产高附加值产物的潜力而被广泛开发利用。然而,在微藻放大生产的过程中极易受到高盐等非生物胁迫的不利影响,极大地限制了微藻的生产力。因此,了解微藻盐胁迫响应的分子机制将有助于耐盐藻株的快速建立。本文总结了真核微藻和原核蓝藻响应盐胁迫的各种参与蛋白及其具体作用机制,包括转运蛋白维持离子稳态、积累渗透调节物质、抗氧化防御机制、信号蛋白和脂质积累等;同时综述了已被开发利用的天然耐盐藻包括杜氏盐藻(Dunaliella salina)、盐生隐杆藻(Aphanothece halophytica)、皮克绿球藻(Picochlorum sp.)和海洋绿藻(Chlamydomonas W80)等微藻及其耐盐基因的研究进展;最后讨论了典型盐响应基因在优良藻种选育中的价值与应用前景。

增加革兰阴性菌外膜囊泡产量的研究进展
刘灿, 闫晓阳, 曾焱, 欧祥龙, 廖永洪
2024, 40(3):  100-108.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0540
摘要 ( 30 )   HTML ( 1)   PDF (1994KB) ( 20 )  
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外膜囊泡(OMVs)是由革兰阴性菌释放的一种囊泡状结构,在革兰阴性菌的生长、感染以及与周围环境交流等过程中发挥重要作用。由于OMVs无活性、不能复制且具有良好的免疫原性,被广泛应用于新型疫苗的研究。但天然OMVs产量低,无法达到规模化生产的要求,OMVs产量提升是OMVs疫苗产业化要解决的关键核心技术问题。本文主要从细菌基因改造、生长培养条件优化和OMVs生产纯化工艺优化3个方面对提升OMVs产量的研究进行综述,以期为OMVs疫苗产业化研究开发提供参考。

非洲猪瘟病毒拮抗宿主cGAS-STING信号通路的研究进展
赵鸿远, 刘强, 成温玉
2024, 40(3):  109-117.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0681
摘要 ( 28 )   HTML ( 0)   PDF (2147KB) ( 17 )  
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非洲猪瘟病毒(African swine fever virus,ASFV)拥有多种逃逸宿主免疫应答的策略,造成病毒难以被宿主清除。cGAS-STING信号通路介导的天然免疫在抗ASFV感染中发挥了重要作用,然而病毒编码的多个蛋白靶向该通路中的不同分子以拮抗宿主的I型干扰素应答。利用基因编辑技术敲除这些病毒基因后,ASFV对宿主的致病性降低,成为基因缺失疫苗的研制潜在靶点。本文对目前已知参与调控宿主cGAS-STING信号通路的病毒蛋白进行总结,旨在阐明这些蛋白免疫逃逸cGAS-STING信号通路的分子机制,加深对ASFV免疫逃逸策略的理解,以期为ASFV致病机制研究与疫苗创制提供参考。

技术与方法
毕赤酵母中外源蛋白表达量的提升策略
茹扎·也里扎提, 杨宇
2024, 40(3):  118-134.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0857
摘要 ( 37 )   HTML ( 6)   PDF (3233KB) ( 23 )  
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利用异源重组表达系统表达外源蛋白是基因工程研究的重点。巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris)是一种甲基营养型酵母,由于其易于遗传操作、高水平分泌外源蛋白、翻译后修饰等特点,已成为工业应用中蛋白质生产的重要菌株,常被用于酶制剂的生产。然而,部分外源蛋白在毕赤酵母系统中的表达水平较低,仍有待提升的空间。因此,进一步探索提升毕赤酵母中外源蛋白表达量的原理和方法,将对降低毕赤酵母表达系统工业化生产成本,提高经济效益,具有重要的意义。本文主要从基因水平、转录水平、翻译水平、折叠分泌水平、抗逆水平、发酵工艺六个方面归纳总结了近年来毕赤酵母提高外源蛋白表达的优化策略的研究进展,旨在为提高外源蛋白在毕赤酵母表达系统中的表达水平提供有益参考。

TMT定量蛋白质组学解析Rummeliibacillus suwonensis 3B-1 生长及己酸代谢机制
陈晓松, 刘超杰, 郑佳, 乔宗伟, 罗惠波, 邹伟
2024, 40(3):  135-145.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0862
摘要 ( 34 )   HTML ( 3)   PDF (5251KB) ( 24 )  
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【目的】 从蛋白水平阐明水源拉梅尔芽孢杆菌(Rummeliibacillus suwonensis)的生长及己酸代谢机理,为水源拉梅尔芽孢杆菌的基因工程改造提供一定技术基础。【方法】R. suwonensis 3B-1为研究对象,应用串联质谱标签(tandem mass tags, TMT)蛋白组学技术对该菌在好氧与厌氧条件下的差异表达蛋白(differentially expressed proteins, DEPs)进行挖掘,并对鉴定到的DEPs进行亚细胞定位、GO功能富集、KEGG信号通路注释、蛋白相互作用等生物信息学分析。【结果】 从比较组中共鉴定获得810个DEPs,其中上调蛋白423个,下调蛋白387个,亚细胞定位到6个条目上,主要涉及细胞质蛋白,细胞膜蛋白和细胞壁等蛋白。GO功能富集分析结果显示,肽的生物合成、翻译和肽代谢过程等生物学过程;核糖体的结构组成和结构分子活性等分子功能;核糖体和核糖核蛋白复合物等细胞组分发生了显著变化。810个DEPs 注释到113条KEGG信号通路,主要涉及辅因子生物合成,双组分系统,磷酸戊糖代谢,糖酵解/糖异生,以及氧化磷酸化等信号通路。苯丙氨酸-tRNA连接酶β亚基和核黄素生物合成蛋白RibD在蛋白互作网络中关联度最高。【结论】 厌氧条件下,糖酵解途径中丙酮酸脱氢酶和丙酮酸激酶表达下调,氨基酸代谢和生物素蛋白连接酶等辅因子相关蛋白表达均呈现下调,表明该菌适合在好氧环境中生长。己酸合成方面,酰基辅酶A硫酯酶的表达量显著上调,同时,糖酵解/糖异生途径、三羧酸循环和磷酸戊糖途径为己酸合成提供了充足的前体物质和还原当量,共同促进了己酸合成。

研究报告
陆地棉主要株型性状关联分析及优异等位基因挖掘
王娟, 王新, 田琴, 马晓梅, 周小凤, 李保成, 董承光
2024, 40(3):  146-154.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0746
摘要 ( 41 )   HTML ( 5)   PDF (1706KB) ( 25 )  
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【目的】 株型是影响棉花机械化和产量的关键因素,开展陆地棉主要株型性状的关联分析研究,可为棉花株型分子育种提供标记及材料来源。【方法】 以403份陆地棉种质资源为材料,利用覆盖全基因组的201对多态性SSR标记,对6个环境4个株型性状进行了关联分析,挖掘株型性状优异等位基因。【结果】 6个环境中株高、果枝始节高、果枝始节位和果枝数的平均变异系数分别为13.70%、21.51%、14.18%和11.51%,广义遗传率为46.24%-74.15%;201对标记共产生394个多态性等位变异位点;能同时在最佳线性无偏预测值(best linear unbiased prediction, BLUP)(P<0.01)和2个以上环境中检测到显著(P<0.05)关联的位点共38个,包括与株高关联的位点16个、与果枝始节高关联的位点6个、与果枝始节位关联的位点11个、与果枝数关联的位点5个,5个位点同时与多个性状关联;鉴定到含有目标性状优异等位基因的材料31份,其中6份材料同时携带多个优异等位基因。【结论】 在403份陆地棉自然群体中,鉴定到38个与4个株型性状关联的标记位点,发掘出31份含有优异等位基因的典型材料。

陆地棉FAX家族的全基因组鉴定及GhFAX1的功能分析
杨伟成, 孙岩, 杨倩, 王壮琳, 马菊花, 薛金爱, 李润植
2024, 40(3):  155-169.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-1075
摘要 ( 53 )   HTML ( 3)   PDF (8377KB) ( 23 )  
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【目的】 脂肪酸转运蛋白(FAX)可介导植物细胞内脂肪酸从质体向外运输,在植物生长发育及响应非生物胁迫等方面发挥重要作用。研究陆地棉FAX家族基因及功能分析,为明确陆地棉油脂积累的分子机制和油脂代谢工程提供新思路。【方法】 从全基因组水平对GhFAX基因家族进行鉴定,并对GhFAX1蛋白进行亚细胞定位,通过酵母与烟草遗传转化对GhFAX1进行功能验证。【结果】 在陆地棉基因组中共鉴定到12个GhFAXs基因,家族各成员间具有相似的基因结构及蛋白理化性质。序列比对分析发现,GhFAX蛋白仅有少数氨基酸在进化中高度保守,暗示其对功能的重要性;进化树分析表明,GhFAXs基因与亚洲棉、雷蒙德氏棉的亲缘关系较近。转录组数据表明,GhFAXs可能参与陆地棉响应逆境胁迫的调控过程。通过实时荧光定量PCR发现,GhFAX4在花中表达较高,说明其参与花粉发育过程;GhFAX9在茎中表达较高,GhFAX1在陆地棉各个组织表达量均较高。选择GhFAX1进行亚细胞定位分析,证实GhFAX1定位在质体中。构建GhFAX1载体,使GhFAX1在酿酒酵母中过表达,结果显示,GhFAX1过表达酵母总脂提高了3.53%。底物偏好性试验显示,GhFAX1对C16:0具有选择性。通过烟草遗传转化,培育GhFAX1过表达烟草。结果显示,过表达烟草叶绿素提升了13.24%,荧光参数NPQ提高14.17%,Fm提高34.94%,F0降低35.28%;叶片总脂肪酸提高了5.2%,种子总脂肪酸提高了6.52%;种子的千粒重增加了近19.1%;同时蛋白含量显著下降。【结论】 GhFAXs提高了酵母与烟草的含油量,参与质体中棕榈酸的转出,使蛋白合成途径上的碳源流向油脂合成途径。

马铃薯WOX基因家族的鉴定及在离体再生和非生物胁迫中的表达分析
张玉, 石磊, 巩檑, 聂峰杰, 杨江伟, 刘璇, 杨文静, 张国辉, 颉瑞霞, 张丽
2024, 40(3):  170-180.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0947
摘要 ( 45 )   HTML ( 5)   PDF (4616KB) ( 17 )  
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【目的】 WUSCHE-相关同源盒(WUSCHEL-related homeobox, WOX)基因家族是植物特有的转录因子家族,在植物生长发育、干细胞分化调控、逆境胁迫响应等过程中扮演重要角色。开展马铃薯WOX基因家族鉴定与功能研究,将为马铃薯遗传改良提供优良基因资源与理论依据。【方法】 基于拟南芥、番茄、烟草和水稻WOX蛋白序列,利用HMMER 3.0和BLASTP鉴定马铃薯WOX基因家族成员,使用MCScanX软件分析WOX基因家族成员在马铃薯种内及种间的共线性,并采用邻接法构建系统发育进化树。利用ExPASy、GSDS等软件分析马铃薯WOX基因家族成员理化性质、基因结构、蛋白motif、启动子区域转录因子结合位点。基于PGSC数据库中马铃薯转录组数据,分析StWOXs在不同组织和非生物胁迫下的表达模式;以可能参与离体再生过程的StWOX5作为候选基因,利用实时荧光定量PCR技术分析该基因在具有不同离体再生能力的4个马铃薯品种(系)再生过程中的表达情况。【结果】 鉴定得到11个马铃薯WOX基因家族成员,分布在5条染色体上,分为WUS、中间和古老共3个进化分支,不同分支中StWOXs基因结构、蛋白motif组成、转录因子结合位点类型和数量存在不同程度的差异。表达模式结果表明,马铃薯WOX基因家族成员参与离体再生和非生物胁迫响应,StWOX4/5/11/13在愈伤组织中特异表达,StWUSStWOX1/3c/4/5/13在甘露醇处理下上调表达,StWOX3a/11在NaCl处理下上调表达,StWOX4/5/13在热胁迫中上调表达,且StWOX5相对表达量与愈伤组织分化率呈正相关。【结论】 不同马铃薯WOX基因具有潜在的功能多样性,StWOX5具有促进马铃薯离体再生分化的作用,参与了非生物胁迫反应。

马铃薯StDof5的克隆及表达分析
梅显军, 宋慧洋, 李京昊, 梅超, 宋倩娜, 冯瑞云, 陈喜明
2024, 40(3):  181-192.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0960
摘要 ( 62 )   HTML ( 4)   PDF (6450KB) ( 40 )  
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【目的】 DNA binding with one finger(Dof)基因家族是植物特有的转录因子在植物生长发育和胁迫响应中发挥重要作用。研究Dof转录因子在马铃薯响应逆境胁迫特别是盐胁迫中的功能与机制,为获得抗盐逆境胁迫新品种提供一定的理论和技术基础。【方法】 克隆StDof5,并对其进行生物信息学分析,通过同源重组的方法构建StDof5过表达载体,转化马铃薯得到阳性植株,并对其表达进行分析。【结果】 StDof5的CDS全长498 bp,编码165个氨基酸,分子式为C800H1236N242O246S9StDof5原子个数2 533个,相对分子量为18 468.63 kD,等电点是8.47,脂肪族指数为51.45,不稳定系数为45.16,预测该蛋白为不稳定蛋白。预测得到的跨膜螺旋个数为0,其属于非跨膜蛋白。StDof5蛋白亲水性平均值为-0.876,预测该蛋白属于亲水性蛋白。StDof5蛋白二级结构预测结果显示α螺旋占20%,β转角占0,延长链占9.7%,无规卷曲占66.06%。盐胁迫表型试验表明,过表达植株(OPs)比野生型(DES)的株高、鲜重均有明显程度上升,但根长、根数和叶片数差异不大。【结论】 过表达植株(OPs)能够抵御盐胁迫,对盐胁迫呈现脱敏感表型。该基因对盐胁迫响应明显,且存在组织特异性。

辣椒CaPI的克隆与功能分析
吴星星, 洪海波, 甘志承, 李瑞宁, 黄先忠
2024, 40(3):  193-201.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0957
摘要 ( 47 )   HTML ( 3)   PDF (4386KB) ( 32 )  
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【目的】 PISTILLATAPI)基因属于典型的Type II型MADS-box基因家族成员,是ABC(D)E模型中的B类基因,在植物发育过程中起着重要作用,但辣椒PI同源基因功能研究未见报道。探索辣椒PI基因功能,为深入研究植物PI同源基因的功能机制奠定基础。【方法】 利用RT-PCR的方法从一年生辣椒(Capsicum annuum L.)花器官的cDNA中克隆PI同源基因CaPI,并通过生物信息学方法分析其理化性质、亚细胞定位、蛋白结构和系统进化关系;利用实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术分析基因在辣椒不同组织中的表达特征;构建植物过表达载体35S:CaPI,通过floral-dipping法转化拟南芥。【结果】 该基因开放阅读框648 bp,编码215个氨基酸,相对分子质量为25.13 kD。氨基酸多重序列比对表明,CaPI蛋白N端含有“MGRGKIEIKRIEN”保守基序。系统进化树分析证实,CaPI与马铃薯、番茄和矮牵牛的PI同源基因亲缘关系较近。RT-qPCR证实CaPI主要在花中表达,在花萼中表达量最高,其次是花瓣,在雄蕊中低表达,而在雌蕊中几乎不表达。在拟南芥中过表达CaPI,与野生型拟南芥(Col-0)相比,35S:CaPI转基因植株表现出莲座叶和分枝数量增多等表型,但不影响花器官的发育。【结论】 辣椒CaPI具有促进植物分枝发育的功能。

甘蔗属种及其近缘属种蔗茅的全基因组密码子偏好性分析
田春艳, 李旭娟, 李纯佳, 毛钧, 刘新龙
2024, 40(3):  202-214.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0982
摘要 ( 23 )   HTML ( 1)   PDF (5440KB) ( 11 )  
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【目的】 为解析甘蔗基因组的密码子使用特征,提高异源基因在甘蔗中的表达效率。【方法】 以已发布的甘蔗属种(热带种LA-purple、割手密NP-X和AP85-441)及其近缘属种蔗茅(Yunnan2009-3)基因组为数据,利用Python、CodonW1.4.2进行密码子偏好性分析,同时通过中性绘图、ENC-plot、PR2-plot等分析探讨密码子偏好性形成的影响因素,并结合转录组测序数据分析密码子偏好性参数与基因表达水平的相关性。最后,基于RSCU均值与7个主要模式生物种(玉米、高粱、水稻、拟南芥、烟草、大肠杆菌、酿酒酵母)的密码子使用模式进行比较分析。【结果】 显示热带种、割手密和蔗茅的基因组都富含GC,平均GC含量为56.3%,且GC3>GC1>GC2, 倾向于使用以G/C结尾的密码子, 平均ENC值为48.45,偏好性较低。中性绘图、ENC-plot和PR2-plot分析表明它们的密码子偏好性受到自然选择、突变压力等多种因素的共同影响,其中自然选择占主导作用。相关性分析表明密码子偏好性参数与基因实际的转录表达水平存在显著相关性,但相关性不强。根据RSCU和∆RSCU值,确定了13个最优密码子,均以C或G结尾,密码子使用特性在全基因组和染色体组水平上无差异。通过比较发现,甘蔗的核苷酸组成及密码子偏好性与玉米、高粱和水稻较为相似,而与拟南芥、烟草、大肠杆菌和酵母具有显著差异。【结论】 甘蔗热带种、割手密和蔗茅的密码子偏好性高度相似,其形成受自然选择和突变因素的影响。此外,对甘蔗优异基因功能异源验证时可优先选择玉米、水稻和高粱作为异源表达系统。

不同鲜食品质橄榄果实转录组测序及酚类代谢途径相关调控基因挖掘
谢倩, 江来, 贺进, 刘玲玲, 丁明月, 陈清西
2024, 40(3):  215-228.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0747
摘要 ( 21 )   HTML ( 5)   PDF (10116KB) ( 11 )  
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【目的】 果实酚类物质类别、含量是与橄榄营养及风味密切相关的重要品质性状,探究橄榄酚类物质生物合成的分子调控机制。【方法】 以总酚含量差异显著的橄榄(低酚/高酚)为试材,分别取花后80-160 d的果实进行转录组分析,对莽草酸-水解单宁/苯丙烷-类黄酮生物合成通路差异基因进行表征,并对差异表达基因进行WGCNA分析,从中挖掘与酚类代谢途径相关的转录因子。【结果】 转录组测序共获得296 314条Unigene,其中73%的Unigene被注释到数据库;4个品种(系)橄榄成熟果共鉴定到1 628个差异表达基因(DEGs),KEGG分析显示,DEGs在酚类代谢途径的“类黄酮生物合成”通路上显著富集;进一步对果实成熟过程莽草酸-水解单宁/苯丙烷-类黄酮生物合成途径的DEGs进行表征,结合WGCNA分析中每个模块与性状的R2P值,筛选到4个关键模块,根据模块内基因的调控关系利用MCC拓扑分析法以度值≥1挖掘模块内关键转录因子,挖掘到137个转录因子Unigene与30个酚类合成结构基因Unigene共表达,转录因子Unigene功能注释来自35个基因家族,最多的为锌指蛋白(C2C2C3HC2H2PHD),其次为B3HBMYBNAC基因家族。【结论】 从转录组角度初步解析了橄榄鲜食品质在酚类代谢途径的差异,同时挖掘了调控酚类代谢的差异基因,对进一步探究橄榄鲜食品质差异的分子机制提供了重要依据。

铁皮石斛14-3-3基因家族鉴定及表达分析
江林琪, 赵佳莹, 郑飞雄, 姚馨怡, 李效贤, 俞振明
2024, 40(3):  229-241.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0839
摘要 ( 36 )   HTML ( 0)   PDF (10439KB) ( 25 )  
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【目的】 14-3-3蛋白,亦称通用调节因子(GRF),由多基因家族编码,在植物生长发育和逆境应答发挥关键的作用。鉴定铁皮石斛(Dendrobium officinaleGRF基因家族,为铁皮石斛GRF基因功能研究及遗传改良提供理论依据。【方法】 通过生物信息学的方法鉴定铁皮石斛14-3-3家族成员,分析其理化性质、染色体定位、系统进化发育、基因结构和启动子顺式作用元件等,同时通过荧光定量PCR技术检测它们在不同组织、低温处理及盐胁迫处理后的表达量。【结果】 铁皮石斛有17个GRF家族成员,分为ε类和非ε类亚族,不均匀地分布在7条染色体上,且存在7对串联复制基因。同一亚族成员基因结构、保守基序和蛋白质二级结构相类似。DoGRF家族基因的启动子区域存在大量激素和环境胁迫应答相关的调控元件。DoGRF家族基因在铁皮石斛各组织中均有表达,具有组织表达特异性,大多数基因在花器官中表达最高,其次是茎和根。同时,在低温处理、盐胁迫处理下呈现差异化表达,可能受到低温和盐胁迫的调控,特别是DoGRF2在铁皮石斛逆境应答过程中起着关键的作用。【结论】 在全基因组水平从铁皮石斛中鉴定出17个DoGRF家族成员,不同基因对非生物胁迫响应不一,并具有器官表达特异性。DoGRF2对低温和盐胁迫呈现正向响应。

不同水分管理栽培方式对山栏稻根际土壤细菌群落的影响
刘佳宁, 李梦, 杨新森, 吴伟, 裴新梧, 袁潜华
2024, 40(3):  242-250.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0884
摘要 ( 28 )   HTML ( 1)   PDF (5588KB) ( 29 )  
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【目的】 山栏稻的栽培方式单一,传统刀耕火种的种植手段破坏环境,水作是山栏稻栽培的新模式。研究山栏稻在大田水作环境下根际微生物的变化情况。【方法】 设置正常灌溉和干旱管理的山栏稻栽培处理,分别对山栏稻根际土壤细菌群落进行16S rRNA基因扩增序列测定,测序数据结合土壤理化性质进行综合分析。【结果】 栽培方式的改变明显影响了根际细菌群落的组成。正常灌溉处理的Nitrosprota和Proteobacteria相对丰度低于干旱管理,Firmicutes的相对丰度高于干旱管理。相对丰度前10的细菌门群落与土壤理化性质具有相关性。相关性网络分析显示,正常灌溉处理中更多的细菌群落具有相互作用,正常灌溉处理拥有更复杂的细菌网络。【结论】 不同水分管理栽培方式的山栏稻根际细菌群落组成发生显著变化,Nitrospirota、Proteobacteria细菌类群可能通过促进水稻根部吸收氮素来增强山栏稻抗逆性。正常灌溉处理中更多细菌群落相互作用,增强了生态系统的稳定性。

Mn2+促进Bacillus altitudinis LZP02生物膜形成
单馨, 黄东慧, 徐伟慧, 王志刚, 陈文晶, 胡云龙
2024, 40(3):  251-260.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0888
摘要 ( 16 )   HTML ( 3)   PDF (7851KB) ( 13 )  
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【目的】 Bacillus altitudinis LZP02是一株水稻根际促生菌(PGPR),能定殖于水稻根部,形成生物膜,且Mn2+对LZP02菌株生物膜形成具有促进作用,但调控机制尚不明确,旨在探究Mn2+对LZP02菌株生物膜形成的促进机制。【方法】 采用结晶紫染色法进行生物膜定量分析、蒽酮-硫酸法测定胞外多糖产量、扫描电镜(SEM)观察LZP02菌株在水稻根际定殖情况、转录组学测序技术分析差异表达基因(DEGs)。【结果】 添加4 mmol/L Mn2+和8 mmol/L Mn2+显著提高了LZP02菌株的成膜能力和胞外多糖产量,扫描电镜发现4 mmol/L Mn2+和8 mmol/L Mn2+提高了LZP02菌株在水稻根际的定殖能力,随着Mn2+浓度的增加,DEGs数量显著增多,其主要富集在芽孢形成、毒素代谢途径和双组分系统中。1 mmol/L Mn2+和4 mmol/L Mn2+处理组发现skf操纵子中基因的表达均上调。扫描电镜观察发现在1 mmol/L Mn2+和4 mmol/L Mn2+处理组中LZP02菌体存在损伤。4 mmol/L Mn2+处理组双组分系统中KinESpo0A基因均显著上调。【结论】 Mn2+通过“嗜食同类”和双组分系统中KinE基因激活Spo0A~P提高了菌株LZP02的成膜能力。

真菌电化学修复除草剂污染土壤:降解动力学探索
郝大程, 郑宇薇, 王凡, 韩蕾, 张赜
2024, 40(3):  261-272.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0895
摘要 ( 16 )   HTML ( 2)   PDF (5322KB) ( 11 )  
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【目的】 微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)在去除污染物的同时产出电能,是一种颇有前景的生态修复手段。构建真菌强化MFC装置,比较电动力(EK)、真菌、MFC修复除草剂污染土壤效果及优缺点,探索MFC在有机污染物修复中的应用潜力。【方法】 设计了一种添加真菌进行生物强化的MFC,并用EK、真菌、MFC三种方法修复两种除草剂污染的灭菌土壤。经筛选和驯化的疣孢漆斑菌和踝节菌菌株用于后两种方法,研究真菌强化对MFC去除除草剂的影响。测量土壤pH、电导率、除草剂去除率,MFC产电性能,用气相色谱-质谱鉴定两种除草剂的降解产物。【结果】 EK修复中,添加模拟电解液、碳纤维条、加电10 V的处理组7 d后氯氟吡啶酯(F)和高效氟吡甲禾灵(H)去除率分别为71%和38%。真菌、MFC处理F的最大去除率达到100%。对比踝节菌,疣孢漆斑菌对两种除草剂的降解性能更好,疣孢漆斑菌、踝节菌单菌构建的MFC对H的去除率分别为62.5%和24.1%。F降解产物为氟氯吡啶酸,H降解产物为乙酸大茴香酯,推测了降解路径和降解动力学。三种方法降解F以及EK降解H均符合动力学一级反应,而真菌和MFC降解H符合二级反应。【结论】 对比EK、真菌修复,MFC修复效果更好,该方法可以较快地修复土壤又无需额外供电,是一种经济有效的自持式修复策略。

产胞外多糖多功能促生菌的筛选鉴定及促生评价
常海霞, 李明源, 麦日艳古·亚生, 周茜, 王继莲
2024, 40(3):  273-285.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0942
摘要 ( 26 )   HTML ( 3)   PDF (4414KB) ( 16 )  
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【目的】 探究产胞外多糖(exopolysaccharides, EPS)菌株在促进盐碱土中植物生长,改善土壤性能等方面的影响,为研制适用于盐碱土壤修复的微生物菌剂奠定基础。【方法】 从新疆喀什地区盐碱草地根际土壤中筛选产胞外多糖菌株,基于16S rRNA基因序列比对及系统发育分析对产胞外多糖菌株进行种属鉴定,采用单因素和响应面法优化最高产菌株的培养基组分,通过接种试验评估其对盐碱土栽培植物的促生效果及土壤团聚体的影响。【结果】 共筛选出19株具有产胞外多糖能力的菌株,隶属于7个菌属,以假单胞菌属(Pseudomonas)占绝对优势。菌株产糖量介于236-1 544 mg/L,尤以泛菌属Pantoea MQ A0产糖量最高,且兼具固氮、产吲哚乙酸(IAA)和铁载体、解磷等功能。MQ A0的最适产糖发酵培养基为甘油12.5 mL/L,蛋白胨9.0 g/L,酵母粉5.5 g/L,CaCO3 5.1 g/L,在此条件下菌株产糖量达2 436 mg/L,较优化前增加57.8%。接种MQ A0发酵液使盐碱土栽培的玉米株高、鲜重、茎粗、须根数和总根长分别提高41.2%、203.0%、42.7%、30.4%和99.7%;粗多糖提取液对土壤团聚体的形成也有显著促进作用(P<0.05)。【结论】 高产胞外多糖菌株MQ A0兼具多种促生特性,在促进盐碱土中植物生长和土壤改良方面效果显著。

脆弱拟杆菌六型分泌系统对肠道屏障的影响及机制
雷棋怡, 徐杨, 李鹏飞
2024, 40(3):  286-295.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0840
摘要 ( 25 )   HTML ( 1)   PDF (5658KB) ( 6 )  
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【目的】 探讨脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)中六型蛋白分泌系统(T6SS)对肠道屏障的影响及作用机制。【方法】 采用自杀载体构建B. fragilis T6SS缺陷株。建立葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的肠炎小鼠模型,并分别补充PBS,B. fragilis WT和B. fragilis ΔT6SS,随后比较三组小鼠疾病特征、肠道屏障完整性的差异。利用荧光定量PCR和免疫组化检测小鼠紧密连接蛋白的表达。采用非靶向代谢组学比较各组小鼠肠道差异代谢物。【结果】 T6SS缺失不影响B. fragilis的生物活性。与PBS对照组相比,B. fragilis WT明显改善小鼠的体重丢失、结肠长度等疾病指标,表现出对DSS诱导的肠炎的保护性,而B. fragilis ΔT6SS随着T6SS的敲除丧失了对DSS诱导的肠炎的保护性。小鼠血清中异硫氰酸荧光素葡聚糖含量和肠道病理切片均表明B. fragilis T6SS能改善小鼠肠道屏障的完整性。荧光定量PCR和免疫组化均表明B. fragilis T6SS影响肠道紧密连接蛋白的表达。非靶向代谢组学分析表明,与B. fragilis ΔT6SS组相比,B. fragilis WT组显著上调96个肠道差异代谢产物,其中多个代谢产物富集到胆碱能突触代谢和甘油磷脂代谢相关通路。【结论】 拟杆菌T6SS改变肠道代谢组并提高肠道细胞紧密连接蛋白的表达,改善肠道屏障的通透性,参与到拟杆菌对肠道屏障的保护性。

肠侵袭性大肠埃希菌噬菌体DK-13的生物学特性及应用
王梦雅, 刘家齐, 姜海霖, 李菁华, 赵春燕, 黄红兰
2024, 40(3):  296-304.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0902
摘要 ( 27 )   HTML ( 0)   PDF (3951KB) ( 13 )  
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【目的】 筛选并分离出能裂解肠侵袭性大肠埃希菌噬菌体,分析其生物学特性,并探究其对污染猪肉的杀菌作用。【方法】 采用双层平板法分离鉴定噬菌体,并测定其最佳感染复数,一步生长曲线等,对其基因组进行测序分析以及裂解功效的测定。【结果】 从医院污水中分离鉴定能特异裂解肠侵袭性大肠埃希菌(Enteroinvasive Escherichia coli coli,EIEC)的噬菌体并命名为DK-13,其呈典型的蝌蚪状外形,包含一个正二十面体的头部和一个可收缩的螺旋对称的尾部,属于肌尾噬菌体科(Myoviridae)噬菌体;生物学特性表明:最佳感染复数为0.01,潜伏期约为10 min,裂解期约为70 min,噬菌体DK-13能在50℃,pH 5.0-10.0条件下存活。全基因组测序表明,噬菌体基因组长约172 275 bp,GC含量为40.18%,预测其共有293个开放阅读框(open reading frames, ORF),未发现已知耐药基因和毒力基因。应用试验表明:被污染的猪肉中表现的杀菌效果良好,宿主菌的数量明显减少。【结论】 分离并鉴定一株新的烈性噬菌体DK-13,DK-13具有潜伏期短、裂解效率高等优势,在食品安全方面具有很大应用潜力。

瘤胃源粪臭素降解菌的分离鉴定及其降解特性研究
王璐, 刘梦雨, 张富源, 纪守坤, 王云, 张英杰, 段春辉, 刘月琴, 严慧
2024, 40(3):  305-311.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0934
摘要 ( 25 )   HTML ( 1)   PDF (2771KB) ( 6 )  
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【目的】 旨在从绵羊瘤胃中分离粪臭素降解菌,并评估其粪臭素降解能力和生长性能,以期开发适用于反刍动物降臭的直接饲喂微生物。【方法】 以绵羊瘤胃液为分离来源,使用含有粪臭素的MSM培养基进行富集和分离,通过细菌菌落形态观察进行初步分类;应用16S rRNA基因扩增、测序及系统发育分析进行物种鉴定;绘制菌株生长曲线,通过HPLC技术测定粪臭素降解曲线。【结果】 从绵羊瘤胃液中分离出25株粪臭素降解菌,经菌落形态鉴定选出11株代表菌株进行后续研究。物种鉴定结果显示,MSML2和MSML6属于枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),MSML4、MSML5、MSML7和MSML10属于阿氏普里斯特氏菌(Priestia aryabhattai),MSML3和MSML11属于污染伯克霍尔德氏菌(Burkholderia contaminans),MSML1、MSML8和MSML9属于成都假单胞菌(Pseudomonas chengduensis)。其中,MSML5生长速度最快,在约12 h后进入稳定期,稳定期菌体浓度最高;MSML3和MSML8在前16 h生长缓慢,32 h后进入稳定期。在粪臭素降解方面,MSML2粪臭素降解效率最高,48 h内的降解率达到23.03%,其次是MSML7、MSML8和MSML10,降解率均超过20%。【结论】 成功从绵羊瘤胃中分离获得25株粪臭素降解菌,涉及4个物种,首次报道了具备粪臭素降解能力的枯草芽孢杆菌、阿氏普里斯特氏菌和成都假单胞菌,为直接饲喂反刍动物的菌剂开发提供了宝贵的菌株资源。

γ-氨基丁酸对绵羊卵巢颗粒细胞凋亡及类固醇激素分泌的影响
单新雨, 李太春, 杨若晨, 段香茹, 康佳, 张英杰, 刘月琴
2024, 40(3):  312-321.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0784
摘要 ( 24 )   HTML ( 4)   PDF (4158KB) ( 12 )  
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【目的】 该文章旨在探究γ-氨基丁酸(GABA)对绵羊卵巢颗粒细胞(GCs)凋亡及类固醇激素分泌的影响。【方法】 卵巢GCs培养液中分别添加0、10-8、10-7、10-6和10-5 mol/L的GABA处理24 h后,采用CCK-8法和流式细胞术分别检测GCs增殖及凋亡情况,筛选出GABA适宜培养浓度用于后续试验,采用ELISA检测GABA对GCs雌激素(E2)及孕酮(P4)分泌的影响,RT-qPCR及Western blot技术检测促GCs增殖(PCNACCNB1CCND1)、促凋亡(Caspase-3Bax)、抗凋亡(Bcl-2)和类固醇激素合成相关基因(CYP11A1StAR3β-HSDCYP19A1)mRNA及蛋白的表达。【结果】 添加GABA处理绵羊卵巢GCs 24 h,各组均可显著促进GCs增殖(P<0.05),抑制其凋亡(P<0.05)。GABA可显著上调PCNACCNB1CCND1Bcl-2 mRNA及蛋白表达量(P<0.05),显著下调BaxCaspase-3 mRNA及蛋白表达量(P<0.05)和Bax/Bcl-2比值(P<0.05)。GABA可显著促进P4的分泌(P<0.05),显著抑制E2的分泌(P<0.05)。显著上调StAR3β-HSDCYP11A1的mRNA及蛋白表达水平(P<0.05),显著下调CYP19A1的mRNA及蛋白水平(P<0.05)。【结论】 GABA通过调节CCNB1CCND1PCNACaspase-3Bcl-2Bax基因表达促进GCs的增殖,抑制其凋亡;通过调节StAR3β-HSDCYP11A1CYP19A1基因表达促进GCs的P4分泌,抑制E2生成。

地衣素合成酶关键模块 LchAD 蛋白的性质和功能研究
杨伟杰, 杨周林, 朱浩东, 魏煜, 刘君, 刘训
2024, 40(3):  322-332.  doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0996
摘要 ( 23 )   HTML ( 4)   PDF (4628KB) ( 14 )  
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【目的】 地衣素(lichenysin)作为一种脂肽类物质,对白酒风味形成有促进作用。为研究地衣素合成酶中硫酯酶模块LchAD蛋白的性质和功能,采用传统分离纯化方法从酿酒大曲样品中,筛选产地衣素的芽孢杆菌菌株。【方法】 采用质谱串联的方式检测发酵产物,通过形态学、生理生化实验和构建系统发育树,分析菌株的种属关系。以筛选出的菌株基因组DNA为模板克隆LchAD基因,在大肠杆菌中异源表达LchAD蛋白并用镍柱纯化。利用在线软件对LchAD蛋白进行生物信息学分析,探究LchAD 蛋白的性质和功能。【结果】 在大曲中筛选获得的菌株YC7为地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis),其发酵产物中含有地衣素A(D或G)的同系物,表明菌株YC7为地衣素产生菌。LchAD蛋白的可溶性表达研究发现,在温度为20℃,IPTG终浓度为100 μg/mL条件下可诱导LchAD蛋白异源表达,并形成可溶性蛋白,其分子量约为27.62 kD。镍柱纯化结果显示,在咪唑浓度为250 mmol/L时,可获得较高纯度的LchAD蛋白。生物信息学分析结果表明,LchAD蛋白为稳定的亲水性蛋白,无信号肽,理论等电点(pI)为7.23,含有一个GrsT保守结构域。LchAD蛋白的二级结构包含43.5%的α-螺旋,13.82%的β-折叠,5.69%的β-转角,其三级结构与表面活性素合成酶的硫脂酶模块相似。【结论】 筛选得到的地衣芽孢杆菌YC7菌株可产地衣素,其LchAD基因编码的蛋白为27.62 kD的亲水性蛋白,异源表达获得可溶性LchAD蛋白,该蛋白可能与合成表面活性素的硫酯酶模块功能相似。

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2024, 40(3):  333. 
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2024, 40(3):  334. 
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2024, 40(3):  335. 
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