海冰细菌Pedobacter arcticus sp.nov.A12~T的功能基因组学研究

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海冰在南北两极分布范围广泛,具有很高的生物生产力,是极地生态系统的重要组成部分。海冰细菌是海冰微生物群落的重要成员之一,其不仅作为初级生产者为海冰生态系统提供了能量来源,而且作为分解者在海冰生态系统的物质循环和转化中起到重要作用。此外,海冰细菌长期生活在极地恶劣的逆境环境中,对于低温、盐分等都具有很好的适应机制。深入研究海冰细菌的基因组组成和特征,有利于了解菌株的抗逆调控机制和对极端环境耐受的关键基因,为定向筛选和构建工程菌株奠定基础。海冰细菌Pedobacter arcticus sp. nov. A12~T分离于北极新奥尔松地区冻土,该菌是革兰氏染色阴性菌,属于短杆细菌、滑动细菌类,可在pH6-9、盐浓度0%-2%、温度4℃-25℃的环境下生存,能产膜外囊泡。本研究提取了Pedobacter arcticus sp. nov. A12~T的基因组DNA,构建了500bp和2000bp的测序文库,并采用Illumina HiSeq2000高通量测序平台对两个文库进行PE90测序,总计获得1065Mb序列数据。利用SOAP denovo软件进行基因组序列拼接,最终获得海冰细菌Pedobacter arcticus sp. nov. A12~T基因组序列的精细图谱(26个contigs和16个scaffolds)。结果显示该菌基因组大小为4,228,288bp,G+C含量为37.53%。建立生物信息学软件分析系统,使用Glimmer v3.0对全基因组序列进行开放阅读框(ORFs)的预测,并使用tRNAscan-SE和RNAmmer对染色体基因组序列进行扫描,发现该菌基因组编码3747个ORF开放阅读框,并含有3个rRNA和39个tRNA基因。利用nr数据库、Swiss-Prot蛋白数据库、COG数据库和KEGG数据库等公共数据库,对基因功能进行了预测,对分类信息、结构域信息进行了二次注释。通过KEGG通路分析,发现海冰细菌具有众多脂肪酸代谢相关基因和不饱和脂肪酸合成相关基因,这可能与其适应于高盐、低温环境的机制有关。通过积累大量的长链不饱和脂肪酸,可以使细胞膜在低温胁迫时仍保持稳定性和流动性。此外,A12~T拥有大量氧化磷酸化通路基因,与能量的产生密切相关。这种现象可能与A12~T具有在极地海冰中存活的能力有关。在基因组序列已公布的Pedobacter属Pedobacter sp. BAL39、Pedobacter agri PB92、Pedobacter heparinus DSM2366、Pedobacter saltans DSM12145这4株菌中,前3株菌基因组的大小分别是5.79Mb、5.14Mb和5.17Mb,均大于5Mb,而基因组最小的一株为4.64Mb。而本研究的菌株A12~T的基因组大小仅为4.2Mb,小于已知Pedobacter属细菌基因组。同时在编码基因数量上,A12~T仅含有3747个ORF,也少于Pedobacter属其它菌株(5101,4252,和3792个ORF),这充分显示了Pedobacter属细菌基因组的多样性。将注释结果提交GenBank,获得Pedobacter arcticus sp. nov. A12~T染色体的序列登录号为AKZJ00000000。海冰细菌Pedobacter arcticus sp. nov. A12~T全基因组序列的测序及比较基因组学分析研究,将会为后续功能基因组学研究,如转录组学、蛋白质组学、代谢组学等研究提供坚实的数据和理论依据,并有效地促进海冰细菌耐盐耐低温功能基因的筛选和低温酶及抗冻物质的开发,具有重要的应用价值和研究意义。
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