2023-02-06
《AMB Express》
? 影響因子：4.126 ?
近日，吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院在微生物領(lǐng)域的《AMB Express》發(fā)表新研究成果！本研究對(duì)23株貝萊斯芽孢桿菌進(jìn)行了比較基因組學(xué)分析，以發(fā)現(xiàn)編碼基因的共有碳水化合物活性酶(CAZymes)，并通過轉(zhuǎn)錄組分析評(píng)估其降解木質(zhì)纖維素的潛力。本研究為固態(tài)發(fā)酵飼料(SFF)多酶混合物的開發(fā)提供了理論依據(jù)。
研究背景
豆粕(SBM)是動(dòng)物飼料中重要的蛋白質(zhì)成分。隨著養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜產(chǎn)品消費(fèi)量的增加，以及豆粕價(jià)格的劇烈波動(dòng)，減少或?qū)ふ姨娲蛊梢殉蔀楫?dāng)務(wù)之急。玉米胚芽粕(CGM)是中國吉林省高產(chǎn)、來源廣、價(jià)格低的蛋白質(zhì)飼料資源，其粗蛋白質(zhì)含量約為22.6%，纖維含量接近玉米(DDGS)。此外，纖維素和阿拉伯木聚糖是CGM的主要纖維成分，NDF(中性洗滌纖維)含量約為50.44%，纖維成分的表觀消化道總消化率低于50%。動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)家通過優(yōu)化CGM在飼料中的比例和添加酶制劑來替代飼料中的部分玉米和SBM。
然而，CGM的高纖維含量是其在動(dòng)物飼料中應(yīng)用的主要限制因素，降低了生長性能和飼料轉(zhuǎn)化率。到目前為止，關(guān)于貝萊斯芽孢桿菌發(fā)酵飼料的報(bào)道很少，顯示出其在木質(zhì)纖維素降解方面的潛在優(yōu)勢，特別是在大豆發(fā)酵飼料中。本研究對(duì)23株不同來源的貝萊斯芽孢桿菌進(jìn)行比較基因組學(xué)分析，尋找共有的碳水化合物酶類，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，鑒定在貝萊斯芽孢桿菌CL -4發(fā)酵預(yù)處理CGM過程中顯著上調(diào)的木質(zhì)纖維素酶編碼基因。該研究結(jié)果對(duì)發(fā)酵飼料共發(fā)酵技術(shù)的改進(jìn)有一定的參考價(jià)值。
研究材料與方法
1.實(shí)驗(yàn)材料：
貝萊斯芽孢桿菌CL-4菌株
2.測序平臺(tái)：
Illumina NovaSeq
3.分析內(nèi)容：
基因家族分析，基因表達(dá)量分析，基因富集分析等。
研究結(jié)果
1. 貝萊斯芽孢桿菌的比較基因組學(xué)分析
將貝萊斯芽孢桿菌CL-4 (PRJNA754316)的基因組與其他22株貝萊斯芽孢桿菌的基因組進(jìn)行了基因家族分析。這些菌株的糖基轉(zhuǎn)移酶( GT )、輔助活性酶( AA )和多糖裂解酶( PL )家族數(shù)目相同，而菌株CL-4含有較多的糖苷水解酶( GH )和碳水化合物結(jié)合結(jié)構(gòu)域( CBM )家族成員，較少的碳水化合物酯酶( CE )成員。23株貝萊斯芽孢桿菌共有的木質(zhì)纖維素降解酶基因注釋如表1所示，主要涉及纖維素、淀粉和木聚糖的降解。
圖1 23種貝萊斯芽孢桿菌的基因家族分析
表1 23株貝萊斯芽孢桿菌中編碼木質(zhì)纖維素降解酶的共有基因
2. 基因表達(dá)的調(diào)控和CAZyme編碼基因
通過轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)與FCGM - 0 h (對(duì)照組)組相比，F(xiàn)CGM-48 h組有1794個(gè)DEGs，包括971個(gè)上調(diào)基因和823個(gè)下調(diào)基因。其中58個(gè)DEGs為CAZyme編碼基因(均為上調(diào)表達(dá))，包括13個(gè)編碼GH家族蛋白的DEGs、6個(gè)編碼CEs的DEGs、1個(gè)編碼AA蛋白的DEGs、6個(gè)編碼CBMs (碳水化合物結(jié)合結(jié)構(gòu)域)的DEGs、1個(gè)編碼PLs的DEGs和31個(gè)編碼GTs的DEGs。在58個(gè)編碼酶的DEGs中，大部分參與半纖維素水解，包括阿拉伯糖內(nèi)切-1,5-α-L-阿拉伯糖苷酶、木聚糖1,4-β-木糖苷酶、α-N-阿拉伯呋喃糖苷酶和乙酰木聚糖酯酶。還存在與纖維素和果膠解聚相關(guān)的基因(表2 )，如編碼6-磷酸-β-半乳糖苷酶、6-磷酸-α-葡萄糖苷酶、α-葡萄糖苷酶、α-淀粉酶、銅依賴性裂解多糖單加氧酶( LPMOs )、果膠裂解酶等。
表2 CAZyme編碼基因在發(fā)酵玉米CGM貝萊斯芽孢桿菌 CL-4中表達(dá)量顯著升高
3. DEGs的富集分析
對(duì)DEGs進(jìn)行GO富集分類，找到分子功能( MF )、生物過程( BP )和細(xì)胞組分( CC )的富集。GO分類中P值最小的前10個(gè)GO條目如圖2A所示。在CC中，與FCGM-0 h相比，胞外區(qū)(GO：0005576 )在FCGM - 48 h顯著富集。在MF中，水解酶活性(作用于糖基鍵; GO：0016798)、水解酶活性(鄰糖基化合物的水解; GO：0004553)和轉(zhuǎn)移酶活性(轉(zhuǎn)移-糖基; GO：0016757)在FCGM - 48 h中富集最顯著。對(duì)于BP，碳水化合物代謝過程( GO：0005975 )、多糖代謝過程( GO：0005976 )和多糖分解代謝過程( GO：0000272 )在FCGM - 48 h中富集最顯著(圖2B )。
圖2差異表達(dá)基因的GO富集分析
4. RNAseq數(shù)據(jù)的RT-qPCR驗(yàn)證
利用RT - qPCR對(duì)14個(gè)顯著上調(diào)的CAZyme編碼基因進(jìn)行驗(yàn)證。基因的RT - qPCR表達(dá)水平估計(jì)為2 -ΔΔCT倍數(shù)變化，在FCGM - 0 h和FCGM - 48 h組上調(diào)表達(dá)的趨勢大體一致(表3 )。
表3 差異表達(dá)基因的RT-qPCR驗(yàn)證結(jié)果
結(jié) 論
綜上所述，研究發(fā)現(xiàn)貝萊斯芽孢桿菌 CL-4發(fā)酵促進(jìn)了CGM中阿拉伯木聚糖的降解，其次是纖維素、果膠和淀粉的部分降解。此外，轉(zhuǎn)錄組和CAZyme比較分析揭示了23株貝萊斯芽孢桿菌共有的木質(zhì)纖維素酶可用于生物質(zhì)纖維素和半纖維素組分的降解。貝萊斯芽孢桿菌分泌木質(zhì)纖維素酶的不同特性可能與其生物環(huán)境有關(guān)。重要的是，外源纖維素酶可以與貝萊斯芽孢桿菌結(jié)合，進(jìn)一步提高CGM中纖維素組分的降解。
本研究的細(xì)菌比較基因組學(xué)分析與轉(zhuǎn)錄組測序分析由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。如需進(jìn)一步討論，歡迎發(fā)郵件或者致電我們喲（郵箱地址：[email protected]，聯(lián)系電話：021-80118168-8617）！
文章索引：
Long Chen, Zihui Qu, Wei Yu, et al. Comparative genomic and transcriptome analysis of Bacillus velezensis CL-4 fermented corn germ meal [J]. AMB Express, 2023 Jan 23;13(1):10
doi: 10.1186/s13568-023-01510-5
