赭曲霉全基因组测序和功能注释及其重要次级代谢产物生物合成基因簇的预测

摘要

Aspergillus westerdijkiae（赭曲霉）是隶属于曲霉属环绕组的一种丝状真菌。该霉菌因其产生的主要次级代谢产物——赭曲霉毒素A(ochratoxin A，OTA)具有强烈的肝脏和肾脏毒性以及潜在的致癌和致突变能力而受到全世界的广泛关注。研究发现，在玉米、小麦等粮食或饲料以及咖啡、啤酒和果汁饮料等食品产品中都能检测到A.westerdijkiae的存在及OTA的污染，严重危害人类健康及家畜安全。作为丝状真菌家族的一员，A.westerdijkiae的酶催化作用和次级代谢产物生物合成能力在工业生产和医药卫生领域也有极大的开发潜力。为了揭示A.westerdijkiae的病原性、潜在的酶降解能力以及其重要次级代谢产物OTA的生物合成机制，我们对A.westerdijkiae进行了全基因组测序和功能注释，并与其它8个已公开全基因组测序数据的曲霉属物种进行了全基因组比较分析。
　　本研究中，我们测序和组装了大约36MB的A.westerdijkiae基因组序列，并预测出10861个蛋白质编码基因。我们对A.westerdijkiae和其它8个曲霉属物种全基因组范围的单拷贝直系同源基因构建了系统发生树，发现A.oryzae和A.flavus在进化上和A.westerdijkiae更相近。这两个相似物种可以为A.westerdijkiae基因组的功能注释提供更多有效的参考序列。随后，我们在10861个蛋白质编码基因中预测到716个细胞色素P450酶编码基因，663个碳水化合物活性酶编码基因以及377个蛋白水解酶编码基因。基于比较基因组学分析、KEGG注释以及结构域预测，我们在663个碳水化合物活性酶编码基因中进一步筛选出了288个植物多糖降解酶编码基因。在A.westerdijkiae基因组中我们还预测到大量次级代谢产物生物合成基因簇，说明A.westerdijkiae具有显著的次级代谢产物生产能力。通过进一步的结构域预测、功能注释以及比较基因组学分析，我们成功预测到两个与OTA生物合成相关的基因簇(cluster37和cluster69)，并详细注释了基因簇中所有的重要元件。我们发现基因簇cluster69中的两相邻GH3和AA3家族碳水化合物水解酶编码基因很可能是导致A.westerdijkiae在不同基质中OTA生物合成能力差异的主要原因。
　　本研究首次对A.westerdijkiae进行了全基因组测序和全面的生物信息学分析，并报道了其重要次级产物OTA的生物合成基因簇。这将为今后研究如何控制OTA的污染起到指导性的作用。此外，我们还对A.westerdijkiae碳水化合物降解和蛋白水解能力进行了分析，并预测了大量潜在的与菌体的宿主入侵以及病原性相关蛋白的编码基因，为揭示A.westerdijkiae的生物特性及其与环境相互作用的机制供了极其丰富且有价值的数据资源。

目录

摘要

第一章 背景介绍

第一节 A．westerdijkiae的特征与研究现状

第二节 曲霉真菌的碳水化合物降解作用

2．1 碳水化合物活性酶数据库

2．2 植物细胞壁多糖降解机制

第三节 曲霉真菌的蛋白酶水解作用

第四节 微生物次级代谢产物及其生物合成

3．1 聚酮化合物的生物合成

3．2 非核糖体肽的生物合成

3．3 次级代谢产物生物合成基因簇的生物信息学分析策略及意义

第五节 全基因组测序在曲霉属真菌物种研究中的应用

第二章 材料与方法

第一节 全基因组测序及组装评估

1．1 培养菌株

1．2 分离基因组DNA

1．3 基因组测序和组装

1．4 基因组完整性评估

第二节 基因组功能注释及比较分析

2．1 预测蛋白质编码基因

2．2 蛋白质功能注释

2．3 次级代谢产物生物合成基因簇的预测

第三节 比较基因组分析

3．1 全基因组序列比较

3．2 构建系统发生树

第三章 结果与讨论

第一节 基因组概况

第二节 全基因组序列比较

第三节 进化分析

第四节 分泌蛋白、毒力以及解毒作用相关蛋白

第五节 碳水化合物活性酶

5．1 碳水化合物活性酶

5．2 植物细胞壁多糖降解酶

第六节 蛋白水解酶

第七节 次级代谢产物生物合成基因簇

7．1 赭曲霉毒素A生物合成基因簇

7．2 其他次级代谢产物生物合成基因簇

第四章 总结与展望

第一节 论文结论

第二节 论文不足之处

第三节 A．westerdijkiae相关研究展望

参考文献

附录

攻读学位期间成果

致谢

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