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聚苹果酸生产菌出芽短梗霉CCTCC M2012223的全基因组测序及序列分析

本站小编 Free考研考试/2021-12-26

聚苹果酸生产菌出芽短梗霉CCTCC M2012223的全基因组测序及序列分析
王永康1, 宋晓丹1, 李晓荣1, 杨尚天2, 邹祥1
1.西南大学药学院, 重庆药物过程与质量控制工程技术中心, 重庆 400715;
2.William G. Lowrie Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Ohio State University, Columbus, OH 43210, USA

收稿日期:2016-05-15;修回日期:2016-06-21;网络出版日期:2016-07-01
基金项目:国家自然科学基金(31571816);国家“863计划”(2015AA021005,2014AA021205);重庆市社会事业与民生保障专项(cstc2016shmszx80075);重庆市知识产权专项基金(CQIPO2015224)

*通信作者:邹祥, Tel:+86-23-68251225;Fax:+86-23-68251048;E-mail:zhx1030@swu.edu.cn


摘要[目的]解析出芽短梗霉CCTCC M2012223的基因组序列信息,分析其代谢产物聚苹果酸、黑色素、普鲁兰多糖合成相关基因,为深入研究遗传多样性和代谢工程改造提供序列背景信息。[方法]使用Illumina HiSeq高通量测序平台对出芽短梗霉CCTCC M2012223菌株进行全基因组测序,并对测序数据进行序列拼接,基因预测与功能注释,COG/GO聚类分析,比较基因组学分析等。下载其他5株出芽短梗霉基因组序列,比较分析6株菌的种内同源基因、全基因组进化以及代谢产物合成相关基因。[结果]出芽短梗霉CCTCC M2012223基因组序列全长30756831 bp,GC含量47.49%,编码9452个基因。比较基因组分析表明出芽短梗霉CCTCC M2012223的基因组组装长度最长,6株菌的同源基因数达到7092个,普鲁兰多糖和聚苹果酸合成相关基因的蛋白序列有很高的保守性。出芽短梗霉CCTCC M2012223和Aureobasidium pullulans var.melanogenum亲缘关系最近,而这2株菌的黑色素合成相关基因的蛋白序列有一些插入和突变。[结论]本研究解析了出芽短梗霉CCTCC M2012223的基因组序列信息,获得黑色素、普鲁兰多糖和聚苹果酸合成相关基因,为后续的代谢机制解析和改造提供相关依据。
关键词: 出芽短梗霉 全基因组测序 比较基因组分析 代谢机制 聚苹果酸
Complete genome sequencing of polymalic acid-producing strain Aureobasidium pullulans CCTCC M2012223
Wang Yongkang1, Song Xiaodan1, Li Xiaorong1, Yang Shang-tian2, Zou Xiang1
1.Chongqing Engineering Research Center for Pharmaceutical Process and Quality Control, College of Pharmaceutical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China;
2.William G. Lowrie Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Ohio State University, Columbus, OH 43210, USA

Received 15 May 2016; Revised 21 June 2016; Published online 01 July 2016
*Corresponding author: Xiang Zou, Tel:+86-23-68251225;Fax:+86-23-68251048;E-mail:zhx1030@swu.edu.cn
Supported by the National Natural Science Foundation of China (31571816), by the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2015AA021005, 2014AA021205), by the Chongqing Social and People's Livelihood Guarantee Special Program (cstc2016shmszx80075), and by the Chongqing Intellectual Property Special Foundation Program (CQIPO2015224)

Abstract: [Objective]To explore the genome sequence of Aureobasidium pullulans CCTCC M2012223, analyze the key genes related to the biosynthesis of important metabolites, and provide genetic background for metabolic engineering.[Methods]Complete genome of A.pullulans CCTCC M2012223 was sequenced by Illumina HiSeq high throughput sequencing platform.Then, fragment assembly, gene prediction, functional annotation, and GO/COG cluster were analyzed in comparison with those of other five A.pullulans varieties.[Results]The complete genome sequence of A.pullulans CCTCC M2012223 was 30756831 bp with an average GC content of 47.49%, and 9452 genes were successfully predicted.Genome-wide analysis showed that A.pullulans CCTCC M2012223 had the biggest genome assembly size.Protein sequences involved in the pullulan and polymalic acid pathway were highly conservative in all of six A.pullulans varieties.Although both A.pullulans CCTCC M2012223 and A.pullulans var.melanogenum have a close affinity, some point mutation and inserts were occurred in protein sequences involved in melanin biosynthesis.[Conclusion]Genome information of A.pullulans CCTCC M2012223 was annotated and genes involved in melanin, pullulan and polymalic acid pathway were compared, which would provide a theoretical basis for genetic modification of metabolic pathway in A.pullulans.
Key words: Aureobasidium pullulans genome-wide comparative analysis complete genome sequencing metabolic mechanism polymalic acid
出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)是一种极具工业应用价值的真菌,分类上属于半知菌门(Deuteromycophyta)短梗霉属(Aureodacidium),通常大多数出芽短梗霉菌会产生黑色素,俗称黑酵母真菌。由于出芽短梗霉的遗传不稳定性,目前已分离并鉴定出多个变种[1]。出芽短梗霉能代谢产生聚苹果酸、普鲁兰糖、酶制剂、黑色素、短梗霉素等多种产物[2-3],其中聚苹果酸是其代谢产生的一种聚酯型聚合物,以L-苹果酸为唯一单体聚合,具有良好的水溶性、生物可降解性、易修饰性和无免疫原性等特点,在药物载体、组织工程、食品包装等领域具有广阔的应用前景。
本课题组前期筛选到1株高产聚苹果酸的出芽短梗霉菌株CCTCC M2012223,已对其遗传转化、聚合途径、发酵调控等方面开展了系统研究[4-7],并建立了基于聚苹果酸酸水解制备L-苹果酸的新工艺技术[8]。尽管出芽短梗霉CCTCC M2012223不分泌黑色素,但在发酵过程中也存在少量副产物普鲁兰多糖和浅色色素形成,影响聚苹果酸产物得率和产品外观。因此,为深入了解聚苹果酸合成代谢规律,有必要对菌株的遗传背景有更加深入的了解,本研究报道了聚苹果酸生产菌出芽短梗霉CCTCC M2012223的全基因组序列,并与已报道5株出芽短梗霉基因组进行比较分析,对代谢产物聚苹果酸、普鲁兰多糖及黑色素合成的相关基因进行功能分析,为深入研究菌株的遗传多样性及代谢工程改造研究提供背景信息。
1 材料和方法 1.1 菌株培养与基因组DNA的提取 产聚苹果酸菌株出芽短梗霉CCTCC M2012223由西南大学药学院发酵工程研究室筛选保藏。菌株在PDA斜面上活化2 d,挑取单菌落于培养基(g/L):葡糖糖60.0,(NH4)2SO4 2.0,KH2PO4 0.1,MgSO4 0.1,ZnSO4 0.1,KCl 0.5,于25 ℃培养24 h,使用OMEGA基因组DNA提取试剂盒按照操作步骤提取基因组DNA,TBS-380荧光计(Turner BioSystems Inc.,Sunnyvale,CA)测定DNA浓度,采用高质量的DNA样品(OD260/280=1.8-2.0,总量 > 6 μg)构建片段文库。
1.2 文库构建和Illumina HiSeq测序 将纯化的基因组DNA打断成小片段,使用T4 DNA聚合酶将其补平成平末端,随后在5′端加上磷酸基团,并在3′末端加A碱基,最后在片段两端连接接头。经琼脂糖凝胶电泳纯化后,PCR扩增以富集文库。构建好的双端文库于Illumina Hiseq测序平台完成全基因组测序。
1.3 原始测序数据质量剪切、序列组装与注释 Illumina Hiseq测序得到的原始图像数据经过Illumina Base Calling软件CASAVA v1.8.2 (http://support.illumina.com/sequencing/sequencing_software/casava.ilmn)转化为原始测序数据(Raw sequencing data),使用SeqPrep (https://github.com/jstjohn/SeqPrep)软件确定包含接头和引物的读段,使用Sickle (https://github.com/najoshi/sickle)软件进行质量剪切,得到高质量序列数据(Clean data)。使用SOAPdenovo v2.04 (http://soap.genomics.org.cn/)拼接软件对Clean data进行多个K-mer参数的拼接,得到最优的组装结果,随后运用GapCloser v1.12软件(http://soap.genomics.org.cn/)对组装结果进行局部内洞填充和碱基校正。采用软件RepeatMasker version 4.0.3来识别、分类基因组序列的重复元件,并用“N”屏蔽基因组中的低复杂度重复序列(low-complexity sequences)和散在重复序列(interspersed repeats)。
利用AUGUSTUS version 2.5.5 (http://bioinf.unigreifswald.de/augustus/)软件对repeat-masked的基因组进行基因预测,将预测基因的蛋白序列分别与NCBI-NR蛋白质数据库,SwissProt (http://uniprot.org),KEGG (http://www.genome.jp/kegg/)[9],COG (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/COG)[10],GO (http://geneontology.org/),SignalP (http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/),Transmembrane domain (http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)和CAZy数据库比对以完成蛋白功能注释。分别使用tRNAscan-SE v1.23 (http://lowelab.ucsc.edu/tRNAscan-SE)[11]软件和RNAmmer v1.2 (http://www.cbs.dtu.dk/services/RNAmmer/)[12]软件预测tRNA和rRNA。
1.4 比较基因组学分析 从GenBank数据库下载4株出芽短梗霉变种基因组序列及注释信息,分别是A. pullulans var. pullulans (EXF-150,CBS 100280) (GenBank: AYEO00000000)、A. pullulans var. melanogenum(EXF-3378,CBS 110374) (GenBank: AYEN00000000),A. pullulans var. subglaciale (EXF-2481,CBS 123387) (GenBank:AYYB00000000)、A. pullulans var. namibiae (EXF-3398,CBS 147.97) (GenBank: AYEM00000000)[1];从http://genome.fungalgenomics.ca/下载A. pullulans ATCC 62921的基因组数据。将出芽短梗霉CCTCC M2012223的基因组序列与5株菌进行比较分析,统计其基本特征,使用ORTHOMCL (http://www.orthomcl.org/orthomcl/)对6株菌的基因进行聚类,使用single-copy orthologs鉴定单拷贝直系同源,使用MUSCLE (http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/muscle/)分别对单拷贝直系同源进行比对,然后进行concatenated alignment,使用MEGA (https://mega.nz/)软件进行系统进化分析。
1.5 代谢产物相关基因分析 将出芽短梗霉CCTCC M2012223预测基因的蛋白序列分别与已报道的出芽短梗霉黑色素、普鲁兰多糖、聚苹果酸合成相关基因进行同源性分析得到相应的蛋白序列,同样的方法得到其他5株出芽短梗霉的相应蛋白,然后对不同菌株的蛋白进行比对和同源性分析。
2 结果和分析 2.1 基因组组装与注释 原始测序数据结果表明,出芽短梗霉CCTCC M2012223基因组中有28995154个pair-end reads,读长223 bp,总碱基数6466639670,平均插入片段长度400 bp,平均测序深度210.25×。经过序列拼接得到393个contigs,其中262个大于1000 bp,contig N50为342222 bp,再经局部内洞填充、碱基校正,得到出芽短梗霉CCTCC M2012223的完整基因组序列,全长30756831 bp,GC含量47.49%,预测其编码9452个基因,基因总长度14465974 bp,编码基因占基因组百分比为47.0%,平均长度1530 bp,基因组图见图 1
图 1. 出芽短梗霉CCTCC M2012223基因组图 Figure 1. Map of the genome of A. pullulans CCTCC M2012223. A: RNA processing and modification; B: chromatin structure and dynamics; C: energy production and conversion; D: cell cycle control, cell division, chromosome partitioning; E: amino acid transport and metabolism; F: nucleotide transport and metabolism; G: carbohydrate transport and metabolism; H: coenzyme transport and metabolism; I: lipid transport and metabolism; J: translation, ribosomal structure and biogenesis; K: transcription; L: replication, recombination and repair; M: cell wall/membrane/envelope biogenesis; N: cell motility; O: posttranslational modification, protein turnover, chaperones; P: inorganic ion transport and metabolism; Q: secondary metabolites biosynthesis, transport and catabolism; R: general function prediction only; S: function unknown; T: signal transduction mechanisms; U: intracellular trafficking, secretion, and vesicular transport; V: defense mechanisms; W: extracellular structures; X: mobilome: prophages, transposons; Y: nuclear structure; Z: cytoskeleton.
图选项





将出芽短梗霉CCTCC M2012223预测基因的蛋白序列与string v9.0 (http://string-db.org/)数据库进行BLASTp比对,可以获得基因所对应的COG (clusters of orthologous groups of proteins)注释结果,并根据COG注释结果对蛋白进行功能归类。如图 2所示,其中参与糖类转运和代谢(G,carbohydrate transport and metabolism),翻译、核糖体结构和合成(J,translation, ribosomal structure and biogenesis),氨基酸转运和代谢(E,amino acid transport and metabolism),能量产生和传递(C,energy production and conversion)以及翻译后修饰、蛋白质周转、分子伴侣(O,posttranslational modification,protein turnover,chaperones)的蛋白占较大比例。
图 2. 出芽短梗霉CCTCC M2012223的COG功能归类 Figure 2. Gene distribution based on COG classification of A. pullulans CCTCC M2012223. A: RNA processing and modification; B: chromatin structure and dynamics; C: energy production and conversion; D: cell cycle control, cell division, chromosome partitioning; E: amino acid transport and metabolism; F: nucleotide transport and metabolism; G: carbohydrate transport and metabolism; H: coenzyme transport and metabolism; I: lipid transport and metabolism; J: translation, ribolism structure and biogenesis; K: transcription; L: replication, recombination and repair; M: cell wall/membrane/envelope biogenesis; N: cell motility; O: posttranslational modification, protein turnover, chaperones; P: inorganic ion transport and metabolism; Q: secondary metabolites biosynthesis, transport and catabolism; R: general function prediction only; S: function unknown; T: signal transduction mechanisms; U: intracellular trafficking, secretion, and vesicular transport; V: defense mechanisms; W: extracellular structures; Y: nuclear structure; Z: cytoskeleton.
图选项





将预测基因的蛋白序列与GO数据库进行BLASTp比对获得GO注释信息,使用软件blast2go (http://www.blast2go.com/b2ghome)进行GO功能聚类分析。GO注释包括3个方面的内容:生物学过程(biological processes),细胞组分(cellular components)和分子功能(molecular functions)。如图 3所示,在生物学过程方面,主要与代谢过程(metabolic process)、细胞内过程(cellular process)、单组织过程(single organism process)、定位建立(establishment of localization)和定位(localization)有关;在细胞组分方面,主要与细胞部分(cell part)、细胞(cell)、膜(membrane)和细胞器(organelle)有关;在分子功能方面,主要与催化活性(catalytic activity)、结合(binding)和转运活性(transporter activity)有关。
图 3. 出芽短梗霉CCTCC M2012223的GO功能聚类 Figure 3. Gene distribution based on Gene Ontology of A. pullulans CCTCC M2012223. Biological process: A: reproduction; B: multi-organism process; C: developmental process; D: positive regulation of biological process; E: multicellular organismal process; F: cellular process; G: single-organism process; H: growth; I: signaling; J: negative regulation of biological process; K: metabolic process; L: biological regulation; M: reproductive process; N: immune system process; O: regulation of biological process; P: establishment of localization; Q: cellular component organization or biogenesis; R: rhythmic process; S: cell killing; T: response to stimulus; U: locomotion; V: localization. Cell components: A: virion part; B: extracellular matrix; C: extracellular region part; D: collagen trimer; E: organelle; F: cell part; G: membrane-enclosed lumen; H: virion; I: membrane part; J: extracellular region; K: extracellular matrix part; L: nucleoid; M: membrane; N: macromolecular complex; O: cell; P: organelle part. Molecular function: A: electron carrier activity; B: protein binding transcription factor activity; C: binding; D: transporter activity; E: protein tag; F: catalytic activity; G: metallochaperone activity; H: nutrient reservoir activity; I: enzyme regulator activity; J: molecular transducer activity; K: structural molecule activity; L: nucleic acid binding transcription factor activity; M: receptor activity; N: antioxidant activity.
图选项





2.2 比较基因组学分析
2.2.1 6株出芽短梗霉基因组的基本特征 将6株出芽短梗霉的基因组组装和注释信息进行比较,其基本特征列于表 1。出芽短梗霉CCTCC M2012223的基因组组装长度最长达到30.75 Mb,包含的contigs和scaffolds数量也最多;出芽短梗霉CCTCC M2012223、A. pullulans var. melanogenumA. pullulans ATCC 62921的基因组GC含量低于50.0%,其他3株菌的GC含量高于50.0%;从基因组注释结果来看,除出芽短梗霉CCTCC M2012223外,其他5株菌的注释基因数量均大于10000,其中A. pullulans var. pullulans的注释基因数量最多达到11866个,这可能与其高渗耐受力有关[1];6株出芽短梗霉菌株的基因外显子GC含量在51.79%-52.99%之间,而出芽短梗霉CCTCC M2012223的内含子数量最少,平均每2.28个基因之间有1个内含子。 表 1. 出芽短梗霉CCTCC M2012223与其他株的基因组组装和注释统计结果 Table 1. Genome assembly and annotation statistics for A. pullulans CCTCC M2012223 and other varieties
Statistic Value per A. pullulans varietya
ApCb ApPb ApSb ApNb ApMb ApAb
Assembly statistics
Assembly length/Mb 30.75 29.62 25.80 25.43 26.20 28.10
Contig length total/Mb 30.75 29.59 25.79 25.43 26.20 -
Number of contigs 393 209 84 55 174 -
Contig N50 28 11 12 10 12 -
Contig L50/kb 342.22 779.84 805.54 1053.18 652.37 -
Number of scaffold 323 186 75 47 150 49
Scaffold N50 26 10 11 9 10 -
GC content/% 47.49 50.02 50.78 51.12 49.85 49.90
Gene statistics
Number of genes 9452 11866 10809 10266 10594 11129
Portein length (amino acids, median) 421 369 377 380 372 -
Exon length (bp, median) 306 369 363 288 294 -
Gene length (bp, median) 1197 1399 1424 1266 1232 -
Intron length (bp, median) 55 57 57 57 57 -
Transcript length (bp, median) 1389 1297 1325 1140 1116 -
GC content of exon/% 51.79 52.52 52.53 52.99 51.87 52.66
Intron genes number 6883 8407 7819 7632 7797 -
Introns pre gapped gene number 2.28 2 2 2 2 -
a: part data are cited from Gostin?ar et al[1]. (2014); b: ApC, A. pullulans CCTCC M2012223; ApP: A. pullulans var. pullulans; ApS: A. pullulans var. subglaciale; ApN: A. pullulans var. namibiae; ApM: A. pullulans var. melanogenum; ApA: A. pullulans ATCC 62921.


表选项






采用OrthoMCL软件对6株出芽短梗霉菌株的氨基酸(或核苷酸)序列进行比对,选取一定阈值进行相似性聚类得到种内同源基因,如图 4所示,6株菌的同源基因数为7062个,分别占其总基因数的74.7%、59.6%、65.4%、68.8%、66.7%和63.5%,而其特有基因数分别为10、29、19、25、92和10个,说明这6株出芽短梗霉菌株具有较高的同源性,同时在进化上也存在一定的差异。
图 4. 6株出芽短梗霉同源基因比较分析 Figure 4. Venn's diagram of A. pullulans varieties homologous genes.
图选项





在同源基因分析的基础上,选取6株出芽短梗霉都含有且为单一拷贝的同源基因(避免旁系同源蛋白的干扰)进行多序列比对,构建全基因组进化树,如图 5所示。表明出芽短梗霉CCTCC M2012223在进化上与A. pullulans var. melanogenum的亲缘关系最近,与A. pullulans var. pullulansA. pullulans ATCC 62921的亲缘关系最远。
图 5. 6株出芽短梗霉全基因组进化树分析 Figure 5. Genome-wide phylogenetic tree of A. pullulans varieties. The number indicates the bootstrap value.
图选项






2.2.2 黑色素代谢相关基因分析 出芽短梗霉能产生1, 8-二羟基萘(DHN)黑色素,对于大多数真菌来说,黑色素在多种压力条件下对细胞有保护作用[13]。微生物主要通过酪氨酸酶,漆酶,儿茶酚酶和聚酮合酶途径合成黑色素[14],而座囊菌纲主要以乙酰辅酶A或丙二酰辅酶A作为前体通过聚酮合酶途径合成DHN-黑色素,Gostin?ar等[1]据此鉴定了出芽短梗霉中黑色素合成途径中的相关蛋白,包括乙酰辅酶A (acetyl-coenzyme A)、丙二酰辅酶A酰基载体蛋白转酰基酶(malonyl coenzyme A acyl carrier protein transacylase,MCAT)、四羟基萘/三羟基萘还原酶相似蛋白(tetrahydroxynaphthalene/ trihydroxynaphthalene reductase-like protein)、萘酚还原酶(hydroxynaphthalene reductase)、以及小柱孢酮脱水酶相似蛋白(scytalone dehydratase like protein)。A. pullulans var. melanogenum是能分泌黑色素的一个变种[15],与之相比,出芽短梗霉CCTCC M2012223不产生黑色素,通常只少量分泌浅色色素,因此,将2株菌黑色素合成途径相关蛋白进行了比对分析。如表 2所示,除萘酚还原酶外,其余3个蛋白的氨基酸序列均发生突变,其中2株菌的乙酰辅酶A、丙二酰辅酶A酰基载体蛋白转酰基酶(MCAT)和小柱孢酮脱水酶相似蛋白的序列一致性分别为83.49%、79.44%和97.73%,表明出芽短梗霉CCTCC M2012223黑色素合成途径中的乙酰辅酶A和MCAT可能功能上表现出差异,导致黑色素合成可能受到限制。 表 2. 出芽短梗霉CCTCC M2012223与A. pullulans var. melanogenum黑色素合成途径相关蛋白比对分析 Table 2. Comparative analysis of proteins involved in melanin pathway betweenA. pullulans CCTCC M2012223 and A. pullulans var. melanogenum
Proteins Function Sequence Identity/% Mutant form
Acetyl-coenzyme A The common intermediate of catabolism, a precursor of melanin synthesis 83.49 99 amino acids insertion mutations in C-terminal, 7 amino acid mutations
Malonyl coenzyme A acyl carrier protein transacylase (MCAT) Transfer malonic acid groups of malonyl coenzyme A to the mercaptan of acyl carrier protein (ACP) 79.44 More than 50 amino acids mutations, 9 amino acids insertion mutations
Hydroxynaphthalene reductase Catalytic 1, 3, 6, 8-tetrahydroxynaphthalene to generate scytalone 100 No amino acid mutation
Scytalone dehydratase like protein Catalytic scytalone to generate 1, 3, 8-trihydroxynaphthalene 97.73 3 amino acid mutations: Ser→Ala, Val→Ile, Lys→Gln


表选项







2.2.3 普鲁兰多糖合成相关基因分析 普鲁兰多糖是由麦芽三糖为单体通过α-1, 6键连接形成的多聚糖[16]。其生物合成途径中涉及尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(uridien diphosphoglucose pyrophosphorylase,UDPG pyrophosphorylase) α-葡萄糖变位酶(α-phosphoglucose mutase,PPM)、普鲁兰糖合成酶(pullulan synthetase, PUL)等关键酶[17-18]。将出芽短梗霉CCTCC M2012223中普鲁兰多糖合成相关酶蛋白序列进行同源性分析(图 6)。结果表明6株菌的PPM、UDPG-pyrophosphorylase、PUL序列一致性分别达到98.77%、99.22%和85.81%,且出芽短梗霉CCTCC M2012223和A. pullulans var. melanogenum的相应蛋白序列一致性最高。
图 6. 6株出芽短梗霉普鲁兰多糖合成相关基因的蛋白序列同源性分析 Figure 6. Homology analysis of proteins sequences involved in pullulan biosynthesis in A. pullulans varieties. A: α-phosphoglucose mutase (PGM); B: UDPG-pyrophosphorylase (UDPGP); C: pullulan synthetase (PUL). The percentage indicates the sequence identity.
图选项






2.2.4 聚苹果酸聚合相关基因分析 聚苹果酸(Polymalic acid,PMA)是以L-苹果酸单体聚合而成的聚酯型聚合物[19],聚苹果酸的前体L-苹果酸的来源主要有3条途径:TCA循环、乙醛酸循环和胞质丙酮酸羧化途径[20],而L-苹果酸聚合生成聚苹果酸的聚合途径可能涉及苹果酰辅酶A连接酶(malate-CoA ligase,MCL)和聚苹果酸合成酶(polymalic acid synthase,PAS)的参与[21]。本课题组前期已从出芽短梗霉CCTCC M2012223中克隆得到MCL基因[5],通过蛋白质序列比对得到其他5株出芽短梗霉的MCL蛋白,进行同源性分析,序列一致性达到97.80%,且出芽短梗霉CCTCC M2012223和A. pullulans var. melanogenum的MCL蛋白序列一致性最高(图 7);而PAS的相关序列信息尚未见报道。
图 7. 6株出芽短梗霉MCL基因的蛋白序列同源性分析 Figure 7. Homology analysis of MCL proteins in A. pullulans varieties. The percentage indicates the sequence identity.
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3 讨论 出芽短梗霉是一种遗传多样性真菌,代谢产物丰富。本研究通过全基因组测序获得了出芽短梗霉CCTCC M2012223的基因组序列和注释信息,结果表明其基因组序列全长30756831 bp,GC含量47.49%,编码9452个基因,与另外已测序完成的5株出芽短梗霉菌株进行比较基因组分析,发现其基因组的基本特征与其他菌株相似度高,6株菌的同源基因数达到7092个,同时也存在各自不同数量的特有基因。全基因组进化分析表明出芽短梗霉CCTCC M2012223与A. pullulans var. melanogenum的亲缘关系最近,与A. pullulans var. pullulansA. pullulans ATCC 62921的亲缘关系最远,也表明不同菌株在进化过程中存在遗传不稳定性。
出芽短梗霉CCTCC M2012223是课题组筛选的1株聚苹果酸高产菌株,已在合作企业投入生产,但在发酵过程中也存在少量副产物普鲁兰多糖和浅色色素,影响产物得率和质量外观。对该菌株的聚苹果酸、普鲁兰多糖和黑色素合成相关蛋白与其余5株已测序菌株进行蛋白序列比对发现,6株菌的聚苹果酸和普鲁兰多糖合成相关蛋白表现出较高的保守性,而出芽短梗霉CCTCC M2012223与A. pullulans var. melanogenum尽管亲缘关系最近,但黑色素合成相关基因及表型表现出差异。黑色素是大多数出芽短梗霉代谢产生的一种色素,对细胞起到保护作用,然而发酵过程产生黑色素通常会造成代谢产物下游分离提取困难,因此选育不产黑色素的出发菌株具有潜在的工业应用价值。A. pullulans var. melanogenum是出芽短梗霉分泌黑色素的一个变种[15],尽管出芽短梗霉CCTCC M2012223与之亲缘关系最近,但黑色素合成途径中除萘酚还原酶外,乙酰辅酶A、丙二酰辅酶A酰基载体蛋白转酰基酶等蛋白氨基酸序列存在一些插入和突变,可能导致其色素合成代谢产生变化。
出芽短梗霉CCTCC M2012223基因组测序的完成,将为其菌株代谢工程改造及调控机制研究提供了大量的生物学信息。对聚苹果酸代谢产物而言,通过基因破坏、CRISPR/Cas9基因编辑等技术对副产物普鲁兰多糖和黑色素的去除,以及聚苹果酸合成功能基因挖掘则成为可能,本课题组也正在开展相关的研究,并取得了一定进展。随着出芽短梗霉功能基因组学研究的不断深入,将会获得更多优良性状的基因工程菌株,推进聚苹果酸及苹果酸发酵的产业化进程。

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