2021-05-19
隨著現代工業和農業的快速發展，大量工業廢水的排放和化肥農藥的殘留引起了嚴重的水體和土壤有機物污染，不僅破壞生態平衡，也對人們的健康造成極大威脅。作為自然生態系統中的“降解者”，許多微生物擁有通過一系列酶促反應，將有機污染物徹底分解為CO2和H2O的能力，這一過程被稱為有機污染物的微生物降解。由于具有降解過程迅速、低碳環保、成本低廉等優勢，微生物降解有機物有著其他方法無可比擬的應用前景。
基于以上背景，以細菌為代表的微生物降解機制受到廣泛關注。我們搜索了近年來的派森諾項目文章，從中選取了幾篇有代表性的細菌生物降解類文章，它們發表在不同的期刊，卻無一例外地都采用了代謝組+基因組+轉錄組的多組學聯合分析手段，并且在研究思路上也具有高度的統一性。我們對這幾篇文章進行了提煉和整理，希望為有此類研究需求的老師提供幫助。
1、甲基桿菌DM1降解二甲基甲酰胺的分子機理
文章題目：Molecular Mechanism of N,N-Dimethylformamide Degradation in Methylobacterium sp. Strain DM1
發表期刊：Environmental Microbiology
發表時間：2019年
影響因子：4.016
合作單位：上海交通大學
技術手段：代謝組+基因組+轉錄組
N，N-二甲基甲酰胺(DMF)是常見的通用溶劑，用于化學工業、制藥和農業，它很容易排放到環境中，且難以從廢水中去除，可對水生動物和人類造成危害。在過去的30年中，已鑒定到多種可降解DMF的細菌，但囿于基因組信息的缺乏，DMF的生物降解分子機制分析難以開展。
本研究從工業區污染土壤中鑒定出一株甲基桿菌菌株，命名為DM1，該菌株可以使用DMF作為碳和氮的唯一來源。全基因組測序顯示它有一條5.66Mbp的染色體和一條200kbp的質粒pLVM1。其中，pLVM1特異性地含有DMF降解最初步驟所必需的基因，染色體攜帶促進隨后的甲基營養代謝的基因。最后通過對轉錄組測序數據的分析，闡明了DMF降解的完整礦化途徑和冗余基因簇。這項研究提供了DMF生物降解的分子機制和進化優勢的見解，質粒pLVM1和菌株DM1中的冗余基因促進了DMF降解，表明新生態類型的甲基桿菌的出現。
技術路線圖：
原文鏈接：
https://doi.org/10.1128/AEM.00275-19
2、基因組和轉錄組分析揭示一株新型多菌靈降解菌紅球菌CX-1的特性
文章題目：Characterization of a novel carbendazim-degrading strain Rhodococcus sp. CX-1 revealed by genome and transcriptome analyses
發表期刊：Science of the Total Environment
發表時間：2020年
影響因子：6.551
合作單位：浙江大學
技術手段：代謝組+基因組+轉錄組
文章簡介
多菌靈（N-(2-苯并咪唑基)-氨基甲酸甲酯）一種廣譜性殺菌劑，對多種由真菌引起的作物病害有防治效果，但其藥效殘留的持久性和生態毒性對環境生態和人類健康構成了潛在風險。迄今為止已分離和鑒定了幾種可降解多菌靈的菌株，盡管它們降解多菌靈的生物降解特性和機理已被闡明，但與整個代謝途徑及其調控機制相關的降解基因的信息很少。
本研究從多菌靈污染的土壤中分離和鑒定出一株紅球菌菌株，命名為CX-1，該菌株能利用多菌靈作為唯一碳源和能源。CX-1生物降解多菌靈的最適溫度和最適pH值分別為40 ℃和7.0，額外的碳源可以加速多菌靈的降解。代謝組分析表明，CX-1可將多菌靈水解為2-AB，再水解為2-HB，最終礦化為二氧化碳。基于基因組注釋和轉錄組分析，多菌靈的降解途徑可能受染色體和質粒2中降解基因的調控。對差異基因進行KEGG和GO富集分析表明，氧化還原過程在多菌靈的降解中起著關鍵作用。這些結果證實了CX-1在去除環境中的多菌靈或使其解毒方面具有廣闊的應用前景。
技術路線圖：
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142137
3、一種假單胞菌菌株通過側向雙氧途徑獨特地降解多環芳烴和雜環衍生物
文章題目：A Pseudomonas sp. strain uniquely degrades PAHs and heterocyclic derivatives via lateral dioxygenation pathways
發表期刊：Journal of Hazardous Materials
發表時間：2020年
影響因子：9.038
合作單位：上海交通大學
技術手段：代謝組+基因組+轉錄組
文章簡介
多環芳烴(PAHs)是由兩個或多個苯環組成的有機污染物，如萘和芴。雜環芳烴是與其他元素組成環結構的化合物，如二苯并呋喃(DBF)和二苯并噻吩(DBT)，它們都是對人類健康構成嚴重威脅的有機污染物。在過去20年間已篩選出一些能夠利用芴、DBF或DBT的細菌，但它們均缺乏獨立利用DBF或DBT的能力，能同時降解這三種底物的菌株更是少之又少。在降解機制方面，已有研究表明，芴、DBF、DBT有兩種生物降解途徑：角向加氧途徑和側向加氧途徑。但相關基因和酶的研究仍十分缺乏。
本研究從土壤和泥漿中分離出一株十字花科假單胞菌菌株，命名為MPDS。該菌株可以利用萘、芴、DBF或DBT作為唯一的碳源。基于代謝組結果推斷MPDS菌株通過側加氧途徑降解芴、DBF和DBT，這與以前的報道不同。然后通過的基因組和轉錄組分析，發現了一個萘降解基因簇，命名為nahAFBCED。對MPDS菌株和另一種DBF降解菌(菌株FA-HZ1)的比較基因組分析揭示了潛在的DBF降解基因。該研究提供了對萘、芴、DBF和DBT生物降解過程中分子機制的進一步理解，并將有利于污染環境的生物修復。
技術路線圖：
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123956
通過以上三篇文獻，我們可以大致總結出這類細菌生物降解文章的基本“套路”：
1、首先通過菌種鑒定確認分離出的菌株屬于哪一物種，再通過不同溫度、底物濃度、酸堿度等培養條件確認該菌株對某一、或某類有機物的最佳降解條件，以評估其降解能力；
2、代謝組：鑒定菌株在降解目標有機物時的中間產物，在對該有機物的生化反應有充分了解的基礎上，可初步推測該菌株的生物降解途徑；
3、基因組：一方面提供該菌株的基因組組裝和注釋信息，作為轉錄組分析的參考基因組；一方面也可與已知基因組的類似菌株聯合進行比較基因組分析；
4、轉錄組：通過檢測處理組（菌株+目標有機物培養基）和對照組（菌株+空白培養基）的差異基因，并對其做進一步的生信分析，如聚類分析和富集分析，最終明確和完善該菌株的生物降解途徑。
本研究的轉錄組測序和數據分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
