2023-02-06
《AMB Express》
• 影响因子：4.126 •
近日，吉林省农业科学院在微生物领域的《AMB Express》发表新研究成果！本研究对23株贝莱斯芽孢杆菌进行了比较基因组学分析，以发现编码基因的共有碳水化合物活性酶(CAZymes)，并通过转录组分析评估其降解木质纤维素的潜力。本研究为固态发酵饲料(SFF)多酶混合物的开发提供了理论依据。
研究背景
豆粕(SBM)是动物饲料中重要的蛋白质成分。随着养殖业的快速发展，畜产品消费量的增加，以及豆粕价格的剧烈波动，减少或寻找替代豆粕已成为当务之急。玉米胚芽粕(CGM)是中国吉林省高产、来源广、价格低的蛋白质饲料资源，其粗蛋白质含量约为22.6%，纤维含量接近玉米(DDGS)。此外，纤维素和阿拉伯木聚糖是CGM的主要纤维成分，NDF(中性洗涤纤维)含量约为50.44%，纤维成分的表观消化道总消化率低于50%。动物营养学家通过优化CGM在饲料中的比例和添加酶制剂来替代饲料中的部分玉米和SBM。
然而，CGM的高纤维含量是其在动物饲料中应用的主要限制因素，降低了生长性能和饲料转化率。到目前为止，关于贝莱斯芽孢杆菌发酵饲料的报道很少，显示出其在木质纤维素降解方面的潜在优势，特别是在大豆发酵饲料中。本研究对23株不同来源的贝莱斯芽孢杆菌进行比较基因组学分析，寻找共有的碳水化合物酶类，然后进行转录组学分析，鉴定在贝莱斯芽孢杆菌CL -4发酵预处理CGM过程中显著上调的木质纤维素酶编码基因。该研究结果对发酵饲料共发酵技术的改进有一定的参考价值。
研究材料与方法
1.实验材料：
贝莱斯芽孢杆菌CL-4菌株
2.测序平台：
Illumina NovaSeq
3.分析内容：
基因家族分析，基因表达量分析，基因富集分析等。
研究结果
1. 贝莱斯芽孢杆菌的比较基因组学分析
将贝莱斯芽孢杆菌CL-4 (PRJNA754316)的基因组与其他22株贝莱斯芽孢杆菌的基因组进行了基因家族分析。这些菌株的糖基转移酶( GT )、辅助活性酶( AA )和多糖裂解酶( PL )家族数目相同，而菌株CL-4含有较多的糖苷水解酶( GH )和碳水化合物结合结构域( CBM )家族成员，较少的碳水化合物酯酶( CE )成员。23株贝莱斯芽孢杆菌共有的木质纤维素降解酶基因注释如表1所示，主要涉及纤维素、淀粉和木聚糖的降解。
图1 23种贝莱斯芽孢杆菌的基因家族分析
表1 23株贝莱斯芽孢杆菌中编码木质纤维素降解酶的共有基因
2. 基因表达的调控和CAZyme编码基因
通过转录组测序，发现与FCGM - 0 h (对照组)组相比，FCGM-48 h组有1794个DEGs，包括971个上调基因和823个下调基因。其中58个DEGs为CAZyme编码基因(均为上调表达)，包括13个编码GH家族蛋白的DEGs、6个编码CEs的DEGs、1个编码AA蛋白的DEGs、6个编码CBMs (碳水化合物结合结构域)的DEGs、1个编码PLs的DEGs和31个编码GTs的DEGs。在58个编码酶的DEGs中，大部分参与半纤维素水解，包括阿拉伯糖内切-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。还存在与纤维素和果胶解聚相关的基因(表2 )，如编码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、铜依赖性裂解多糖单加氧酶( LPMOs )、果胶裂解酶等。
表2 CAZyme编码基因在发酵玉米CGM贝莱斯芽孢杆菌 CL-4中表达量显著升高
3. DEGs的富集分析
对DEGs进行GO富集分类，找到分子功能( MF )、生物过程( BP )和细胞组分( CC )的富集。GO分类中P值最小的前10个GO条目如图2A所示。在CC中，与FCGM-0 h相比，胞外区(GO：0005576 )在FCGM - 48 h显著富集。在MF中，水解酶活性(作用于糖基键; GO：0016798)、水解酶活性(邻糖基化合物的水解; GO：0004553)和转移酶活性(转移-糖基; GO：0016757)在FCGM - 48 h中富集最显著。对于BP，碳水化合物代谢过程( GO：0005975 )、多糖代谢过程( GO：0005976 )和多糖分解代谢过程( GO：0000272 )在FCGM - 48 h中富集最显著(图2B )。
图2差异表达基因的GO富集分析
4. RNAseq数据的RT-qPCR验证
利用RT - qPCR对14个显著上调的CAZyme编码基因进行验证。基因的RT - qPCR表达水平估计为2 -ΔΔCT倍数变化，在FCGM - 0 h和FCGM - 48 h组上调表达的趋势大体一致(表3 )。
表3 差异表达基因的RT-qPCR验证结果
结 论
综上所述，研究发现贝莱斯芽孢杆菌 CL-4发酵促进了CGM中阿拉伯木聚糖的降解，其次是纤维素、果胶和淀粉的部分降解。此外，转录组和CAZyme比较分析揭示了23株贝莱斯芽孢杆菌共有的木质纤维素酶可用于生物质纤维素和半纤维素组分的降解。贝莱斯芽孢杆菌分泌木质纤维素酶的不同特性可能与其生物环境有关。重要的是，外源纤维素酶可以与贝莱斯芽孢杆菌结合，进一步提高CGM中纤维素组分的降解。
本研究的细菌比较基因组学分析与转录组测序分析由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。如需进一步讨论，欢迎发邮件或者致电我们哟（邮箱地址：microsupport@personalbio.cn，联系电话：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
