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木质纤维素降解复合菌系的细菌多样性及其协同作用的宏转录组学解析

艾士奇

  为明确木质纤维素降解复合菌系中细菌的协同作用关系,利用该复合菌系对滤纸和稻秆进行生物处理,通过降解特性试验,选择不同降解时期复合菌系的总DNA和RNA分别进行细菌16S rRNA基因扩增子高通量测序与宏转录组高通量测序,以期揭示复合菌系降解木质纤维素过程中细菌群落的演替规律与细菌间的协同降解模式。通过降解特性试验确定培养第12 h、72 h、168 h分别作为降解初期、高峰期、末期。基于16S rRNA基因注释其群落组成多样性发现,随着降解的进行,短芽胞杆菌属(Brevibacillus)、喜热菌属(Caloramator)的相对丰度逐渐降低;梭菌属(Clostridium)、芽胞杆菌属(Bacillus)、地芽胞杆菌属(Geobacillus)、柯恩氏菌属(Cohnella)的相对丰度逐渐升高;解脲芽胞杆菌属(Ureibacillus)、泰氏菌属(Tissierella)、Epulopiscium在降解高峰期时相对丰度最高;各时期类芽胞杆菌属(Paenibacillus)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)的相对丰度无明显变化。基于宏转录组注释其群落组成多样性结果表明,不同降解时期复合菌系的转录本主要来源于梭菌属(Clostridium)、芽孢杆菌属(Bacillus)、嗜碱菌属(Alkaliphilus)、高温厌氧杆菌属(Thermoanaerobacter)、弧菌属(Vibrio)、类芽孢杆菌属(Paenibacillus)、肠球菌属(Parvimonas)、地芽孢杆菌属(Geobacillus)、优杆菌属(Eubacterium)、Caldanaerobacter、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、醋弧菌属(Acetivibrio)、热解纤维素杆菌属(Caldicellulosiruptor)、脱硫肠状菌属(Desulfotomaculum)。梭菌属、芽孢杆菌属、地芽孢杆菌属、类芽孢杆菌属、瘤胃球菌属在数量与编码转录本上均占主要优势。利用KEGG和EGGNOG数据库对不同降解时期复合菌系进行功能和代谢特征分析,发现碳水化合物代谢相关基因在各时期复合菌系中转录很活跃,这与复合菌系中蕴含着丰富的碳水化合物代谢相关酶及编码它们的功能细菌相关。利用CAZy数据库对不同降解时期的复合菌系注释木质纤维素酶系基因,分析发现,AA1家族基因在木质素降解中发挥作用;在纤维素、半纤维素降解为单糖的过程中,GH5、GH8、GH9、GH10、GH16、GH26、GH27、GH30、GH44、GH48、GH74、GH81、GH101、GH124家族基因在纤维素降解中发挥作用;GH2、GH11、GH39、GH43、GH51、GH53、GH55、GH67、GH113、GH115、GH127、CE2、CE6、CE7、CE8、CE12、CE15家族基因在半纤维素降解中发挥作用;GH1、GH3、GH4、GH29、GH31、GH35、GH36、GH42、GH50、GH78、GH94、GH95、GH105、GH116家族基因在寡糖降解中发挥作用。同时也发现纤维小体结构域基因,以及其他结合底物、辅助降解的CBMs基因,在降解纤维素、半纤维素过程中同样发挥重要作用。分析编码发挥降解功能的AAs、GHs、CEs基因的细菌发现,短波单胞菌属(Brevundimonas)主要编码AAs基因,是降解木质素的主要细菌;梭菌属(Clostridium)、类芽孢杆菌属(Paenibacillus)、芽孢杆菌属(Bacillus)、微胞藻属(Microcystis)均是降解纤维素、半纤维素、寡糖的主要细菌;梭菌属(Clostridium)、类芽孢杆菌属(Paenibacillus)、芽孢杆菌属(Bacillus)、微胞藻属(Microcystis)、弧菌属(Vibrio)主要编码GHs、CEs基因。利用KEGG数据库对不同降解时期纤维素降解通路进行注释,发现其通路完整并注释到绝大部分酶基因。综上所述,复合菌系由好氧细菌、兼性细菌、厌氧细菌组成。降解初期,好氧菌处于数量优势地位,而厌氧菌次之。从降解高峰期开始到末期,厌氧菌、兼性菌逐渐成为主要的数量优势菌。然而数量上的主要优势菌在发挥功能时并非占主要优势。复合菌系中编码转录本的主要功能优势菌全部是厌氧菌或兼性菌,且厌氧菌占绝大多数。复合菌系降解木质纤维素过程中细菌群落结构发生显著变化。碳水化合物代谢相关基因在各时期复合菌系中转录很活跃。最后构建出复合菌系中细菌高效降解木质纤维素的协同作用关系模型,该模型将功能细菌与其编码的功能基因相结合,将抽象的复合菌系中细菌的协同作用关系以图示的方式形象具体的展现出来。……   
[关键词]:木质纤维素降解;复合菌系;细菌多样性;宏转录组学;协同作用
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:黑龙江八一农垦大学2018年