两株嘌呤核苷工业生产菌的全基因组测序及序列分析

摘要

本研究选取两株早期的肌苷生产菌枯草芽孢杆菌ATCC13952和鸟苷生产菌枯草芽孢杆菌ATCC19217为研究对象，通过Illumina高通量测序技术获得全基因组序列，并使用多种生物信息软件对基因组进行了初步分析，以期为深入研究两株菌的遗传背景信息、嘌呤核苷积累机制、分子育种等奠定基础。本研究结果如下：
　　1、B.subtilis ATCC13952与B.subtilis ATCC19217全基因组测序及功能注释
　　采用Illumina Hiseq2000测序平台，对B.subtilis ATCC13952与B.subtilis ATCC19217进行全基因组测序，测序分别获得689 Mb、1,675 Mb的原始数据，测序深度分别达170×和400×。通过Velvet软件对测序获得的reads序列进行de novo组装得到48个和54个Contigs。使用SSPACE软件对组装结果进行scaffolding，分别得到26和33个Scaffolds。利用Mummer和OSLay软件将Scaffold序列定位到参考基因组上，从而确定各个Scaffold的相互位置关系，然后针对内洞和外洞设计特异性引物对其进行填补，填补完后最终获得 B.subtilis ATCC13952与B.subtilis ATCC19217的完整基因组序列。基因组序列已提交NCBI数据库，登录号分别为CP009748和CP009749。B.subtilis ATCC13952与B. subtilis ATCC19217的基因组大小为3,876,276 bp、3,959,897 bp，GC含量分别为45.8％和46.4%。B. subtilis ATCC13952共编码3,852个蛋白质基因，72个tRNA和7个rRNA操纵子；B.subtilis ATCC19217共编码3,677个蛋白质基因，72个tRNA和7个rRNA操纵子。
　　2、B.subtilis ATCC13952与B.subtilis ATCC19217基因组的序列分析
　　基因组的序列分析主要包括：COG和 GO功能分类，基本代谢分析，比较基因组分析，嘌呤代谢相关基因分析等。通过将所有基因编码的蛋白序列与COG数据库和InterProScan数据库进行比对，然后按照分类标准将蛋白根据不同功能进行分类，分析各类功能对应的基因分布情况，发现在两株菌中大量基因集中于代谢、转录、生物合成等，表明菌株代谢活动较为活跃。通过KEEG Pathway数据库重建了两株菌的各个代谢途径，对参与各类代谢途径的基因组数量进行统计，并重点分析嘌呤代谢途径。将两株菌与其他4株亲缘关系较近的芽孢杆菌B.amyloliquefacines XH7、B.amyloliquefaciens TA208、B.amyloliquefaciens DSM7 及B.subtilis168进行比较基因组分析，发现6株菌的基因组基本特征非常相似，并且具有高度保守的基因组结构，同时相对于最为原始的B. subtilis168其他几株菌均存在着一些插入和缺失，另外基因组共线性分析显示6株菌具有很好的共线性，但在B.amyloliquefacines XH7、B.amyloliquefaciens TA208基因组中存在着一个较大DNA片段的倒位，而该DNA片段的侧翼正是原噬菌体所处位置，推断此倒位很可能是由于感染噬菌体，从而介导水平基因转移造成的。将嘌呤代谢相关基因所编码的蛋白序列与不积累核苷的标准株B.amyloliquefaciens DSM7的相应蛋白进行比对分析，发现了一些非常明显地有利于嘌呤核苷积累的突变，如purA、drm、pbuX基因的缺失。另外，发现了一些潜在地可能促进积累嘌呤核苷的突变，如 purF、guaA、pgi、purM、purL、purC等，然而，多数蛋白并未发生突变，表明菌株有进一步菌种改良的潜力。
　　本研究对肌苷工业生产菌株枯草芽孢杆菌ATCC13952和鸟苷工业生产菌枯草芽孢杆菌ATCC19217进行了基因组测序研究，基因组组装和补洞完成后获得基因组完成图，并进行了基因预测、功能注释与聚类分析。与其他几株芽孢杆菌基因组进行了比较基因组共线性分析，解析了嘌呤代谢相关基因编码的蛋白。论文研究工作为肌苷和鸟苷生产菌的相关分子育种的研究打下很好基础。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 芽孢杆菌生产嘌呤核苷研究进展

1.2 基因组测序技术的发展

1.3 芽孢杆菌基因组测序研究进展

1.4 本课题的研究意义及主要内容

第二章 B. subtilis ATCC 13952和ATCC 19217全基因组列测定

2.1 材料

2.2 方法

2.3 结果与分析

2.4 讨论

第三章 B. subtilis ATCC 13952和ATCC 19217基因组序列的初步分析

3.1 材料

3.2 方法

3.3 结果与分析

3.4 讨论

第四章 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

附录

致谢

在读期间公开发表论文（著）及科研情况