多组学联合分析,“细菌生物降解”类文章你不得不知的套路

2021
05/19

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派森诺生物
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随着现代工业和农业的快速发展,大量工业废水的排放和化肥农药的残留引起了严重的水体和土壤有机物污染,不仅破坏生态平衡,也对人们的健康造成极大威胁。作为自然生态系统中的“降解者”,许多微生物拥有通过一系列酶促反应,将有机污染物彻底分解为CO2和H2O的能力,这一过程被称为有机污染物的微生物降解。由于具有降解过程迅速、低碳环保、成本低廉等优势,微生物降解有机物有着其他方法无可比拟的应用前景。

基于以上背景,以细菌为代表的微生物降解机制受到广泛关注。我们搜索了近年来的派森诺项目文章,从中选取了几篇有代表性的细菌生物降解类文章,它们发表在不同的期刊,却无一例外地都采用了代谢组+基因组+转录组的多组学联合分析手段,并且在研究思路上也具有高度的统一性。我们对这几篇文章进行了提炼和整理,希望为有此类研究需求的老师提供帮助。


1、甲基杆菌DM1降解二甲基甲酰胺的分子机理

文章题目:Molecular Mechanism of N,N-Dimethylformamide Degradation in Methylobacterium sp. Strain DM1

发表期刊:Environmental Microbiology

发表时间:2019年

影响因子:4.016

合作单位:上海交通大学

技术手段:代谢组+基因组+转录组


N,N-二甲基甲酰胺(DMF)是常见的通用溶剂,用于化学工业、制药和农业,它很容易排放到环境中,且难以从废水中去除,可对水生动物和人类造成危害。在过去的30年中,已鉴定到多种可降解DMF的细菌,但囿于基因组信息的缺乏,DMF的生物降解分子机制分析难以开展。

本研究从工业区污染土壤中鉴定出一株甲基杆菌菌株,命名为DM1,该菌株可以使用DMF作为碳和氮的唯一来源。全基因组测序显示它有一条5.66Mbp的染色体和一条200kbp的质粒pLVM1。其中,pLVM1特异性地含有DMF降解最初步骤所必需的基因,染色体携带促进随后的甲基营养代谢的基因。最后通过对转录组测序数据的分析,阐明了DMF降解的完整矿化途径和冗余基因簇。这项研究提供了DMF生物降解的分子机制和进化优势的见解,质粒pLVM1和菌株DM1中的冗余基因促进了DMF降解,表明新生态类型的甲基杆菌的出现。

技术路线图:

原文链接:

https://doi.org/10.1128/AEM.00275-19


2、基因组和转录组分析揭示一株新型多菌灵降解菌红球菌CX-1的特性

文章题目:Characterization of a novel carbendazim-degrading strain Rhodococcus sp. CX-1 revealed by genome and transcriptome analyses

发表期刊:Science of the Total Environment

发表时间:2020年

影响因子:6.551

合作单位:浙江大学

技术手段:代谢组+基因组+转录组


文章简介


多菌灵(N-(2-苯并咪唑基)-氨基甲酸甲酯)一种广谱性杀菌剂,对多种由真菌引起的作物病害有防治效果,但其药效残留的持久性和生态毒性对环境生态和人类健康构成了潜在风险。迄今为止已分离和鉴定了几种可降解多菌灵的菌株,尽管它们降解多菌灵的生物降解特性和机理已被阐明,但与整个代谢途径及其调控机制相关的降解基因的信息很少。

本研究从多菌灵污染的土壤中分离和鉴定出一株红球菌菌株,命名为CX-1,该菌株能利用多菌灵作为唯一碳源和能源。CX-1生物降解多菌灵的最适温度和最适pH值分别为40 ℃和7.0,额外的碳源可以加速多菌灵的降解。代谢组分析表明,CX-1可将多菌灵水解为2-AB,再水解为2-HB,最终矿化为二氧化碳。基于基因组注释和转录组分析,多菌灵的降解途径可能受染色体和质粒2中降解基因的调控。对差异基因进行KEGG和GO富集分析表明,氧化还原过程在多菌灵的降解中起着关键作用。这些结果证实了CX-1在去除环境中的多菌灵或使其解毒方面具有广阔的应用前景。

技术路线图:

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142137


3、一种假单胞菌菌株通过侧向双氧途径独特地降解多环芳烃和杂环衍生物

文章题目:A Pseudomonas sp. strain uniquely degrades PAHs and heterocyclic derivatives via lateral dioxygenation pathways

发表期刊:Journal of Hazardous Materials

发表时间:2020年

影响因子:9.038

合作单位:上海交通大学

技术手段:代谢组+基因组+转录组


文章简介


多环芳烃(PAHs)是由两个或多个苯环组成的有机污染物,如萘和芴。杂环芳烃是与其他元素组成环结构的化合物,如二苯并呋喃(DBF)和二苯并噻吩(DBT),它们都是对人类健康构成严重威胁的有机污染物。在过去20年间已筛选出一些能够利用芴、DBF或DBT的细菌,但它们均缺乏独立利用DBF或DBT的能力,能同时降解这三种底物的菌株更是少之又少。在降解机制方面,已有研究表明,芴、DBF、DBT有两种生物降解途径:角向加氧途径和侧向加氧途径。但相关基因和酶的研究仍十分缺乏。

本研究从土壤和泥浆中分离出一株十字花科假单胞菌菌株,命名为MPDS。该菌株可以利用萘、芴、DBF或DBT作为唯一的碳源。基于代谢组结果推断MPDS菌株通过侧加氧途径降解芴、DBF和DBT,这与以前的报道不同。然后通过的基因组和转录组分析,发现了一个萘降解基因簇,命名为nahAFBCED。对MPDS菌株和另一种DBF降解菌(菌株FA-HZ1)的比较基因组分析揭示了潜在的DBF降解基因。该研究提供了对萘、芴、DBF和DBT生物降解过程中分子机制的进一步理解,并将有利于污染环境的生物修复。

技术路线图:

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123956


通过以上三篇文献,我们可以大致总结出这类细菌生物降解文章的基本“套路”:

1、首先通过菌种鉴定确认分离出的菌株属于哪一物种,再通过不同温度、底物浓度、酸碱度等培养条件确认该菌株对某一、或某类有机物的最佳降解条件,以评估其降解能力;

2、代谢组:鉴定菌株在降解目标有机物时的中间产物,在对该有机物的生化反应有充分了解的基础上,可初步推测该菌株的生物降解途径;

3、基因组:一方面提供该菌株的基因组组装和注释信息,作为转录组分析的参考基因组;一方面也可与已知基因组的类似菌株联合进行比较基因组分析;

4、转录组:通过检测处理组(菌株+目标有机物培养基)和对照组(菌株+空白培养基)的差异基因,并对其做进一步的生信分析,如聚类分析和富集分析,最终明确和完善该菌株的生物降解途径。



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关键词:
基因组,代谢组,转录组,细菌,套路,生物,降解

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