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假小链双歧杆菌比较基因组学分析
作者：路镜达1，杨瑞1，钟罡2，弓艳春2，周钧鸿1，张艺馨1，徐维那1，钟智1*
单位：
1．内蒙古农业大学 乳品生物技术与工程教育部重点实验室
2．内蒙古自治区农牧业技术推广中心
基金项目：
内蒙古自治区科技计划项目(2021GG0080)
摘要及关键词
摘要：为解析假小链双歧杆菌的功能基因差异。该研究对分离自中国、日本和美国的104株假小链双歧杆菌进行比较基因组学分析。在基因组特征上，日本分离株的编码序列数量显著高于中国和美国分离株（P＜0.01）。基于核心基因构建的系统发育树和平均核苷酸一致性聚类热图显示分离自相同国家的菌株更相似。功能基因注释结果进一步表明分离地会影响菌株的功能基因分布，碳水化合物活性酶注释发现15个碳水化合物活性酶存在地域性差异；经耐药基因和毒力因子数据库注释发现中国分离株携带的耐药基因和黏附型毒力因子的数量显著高于日本分离株；中国和日本分离株携带复制、重组和修复及噬菌体相关可移动遗传元件数量均与美国分离株存在差异。该研究发现分离地会影响假小链双歧杆菌的功能基因，不同分离地假小链双歧杆菌存在差异功能基因。该研究为解析假小链双歧杆菌的功能差异提供理论依据。
关键词：假小链双歧杆菌；比较基因组学；碳水化合物活性酶；耐药基因；毒力因子
主要结论
本研究对分离自中国、日本和美国的104株假小链双歧杆菌进行泛-核心基因计算，核心基因仅占泛基因组的9.36%，表明该菌种的基因组多样性较高。基于772个核心基因构建系统发育树可观察到菌株能够较好的依据分离地进行聚类，表明分离自相同国家的菌株遗传距离更近。
图1 假小链双歧杆菌的系统发育树
Fig. 1 The phylogenetic tree of Bifidobacterium pseudocatenulatum
104株假小链双歧杆菌共注释到57种碳水化合物活性酶，其中糖基水解酶以GH13家族、GH43家族和GH3家族为主。有15种碳水化合物活性酶在不同国家分离株中表现出拷贝数量上的差异。相较于日本和美国，中国分离株携带的CBM67、GH25和GH30等家族的碳水化合物活性酶较多，主要用于分解植物及乳制品来源的多糖。
a-假小链双歧杆菌携带碳水化合物活性酶热图; b-不同国家分离株携带碳水化合物活性酶数量差异箱线图
图2 不同国家分离株携带碳水化合物活性酶数量差异
Fig. 2 The differences in the number of carbohydrate-active enzymes carried by different countries′ isolates
104株假小链双歧杆菌共注释到32种抗生素抗性基因，其中部分为假小链双歧杆菌的固有耐药基因，如Bbif_ileS_MUP、Bado_rpoB_RIF等。中国分离株携带的耐药基因数量显著高于日本分离株(P＜0.000 1)和美国分离株(P＜0.01)。
a-假小链双歧杆菌携带抗生素抗性基因热图; b-分离自不同国家假小链双歧杆菌携带耐药基因数量差异; c-分离自不同国家假小链双杆菌携带特有耐药基因数量
图3 假小链双歧杆菌携带耐药基因的种类、数量热图
Fig. 3 Heatmaps of species and number of antibiotic resistance genes carried by Bifidobacterium pseudocatenulatum
104株假小链双歧杆菌共注释到10 613个可移动遗传原件，中国和日本分离株在5种类型的可移动遗传元件数量上均无显著差异，美国相对中国分离株和日本分离株在复制/重组/修复和噬菌体生物过程相关的可移动遗传元件数量上存在显著差异(P<0.05)，其携带2种可移动遗传元件数量最低。中国的两簇分离株携带噬菌体相关可移动遗传元件的差异较大(P<0.05)，其中中国2簇分离株携带更多。
a-复制、重组和修复; b-噬菌体; c-整合、切除; d-稳定性、转移和防御; e-转移; f-噬菌体
图4 不同分离地假小链双歧杆菌携带可移动遗传元件比对
Fig. 4 Comparison of mobile genetic elements carried by different isolates of Bifidobacterium pseudocatenulatum
综上所述，本研究发现假小链双歧杆菌的分离地对菌株所携带的功能基因会产生较大影响。特别体现在碳水化合物活性酶的拷贝数量上，其次是耐药基因和可移动遗传元件等功能基因的种类和拷贝数量。研究结果拓宽了对假小链双歧杆菌的了解，并为进一步研究该菌株的功能和筛选具备益生功效的菌株提供了参考。
团队简介
内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室
围绕“乳酸菌种质资源及生物多样性”、“益生乳酸菌、肠道菌群与宿主健康”和“乳酸菌制剂与乳制品加工”开展研究。团队现有教师23人，长江学者特聘教授2人、国家杰青2人、国家优青2人。荣获国家科学技术进步二等奖（2023）、何梁何利科学与技术创新奖（2015）、内蒙古自治区科学技术特别贡献奖（2013）、教育部技术发明一等奖（2019）、内蒙古自治区自然科学一等奖（2009）、内蒙古自治区科技进步一等奖（2019、2012）、全国农业优秀创新团队奖（2018年，农业部）、中国食品科学技术学会科技创新奖--突出贡献奖（2017）、大北农科技成果奖（2009）等科技奖励。在Nature Microbiology、Nature Communications、Science Bulletin和Microbiome等杂志发表SCI论文350余篇。
通
信
作
者
钟智，博士，副研究员，博士研究生导师。国家科技部重点领域创新团队、教育部创新团队、农业部创新团队和草原英才创新团队主要成员，主要从事乳酸菌资源开发与利用方面的研究工作。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题等国家级科研项目4项，主持内蒙古自然科学基金重点项目等省部级科研项目5项。
围绕传统发酵乳制品微生物多样性，乳酸菌群体基因组学和母乳源益生菌资源的开发利用等相关研究，在Microbiome、Food Microbiology、LWT-Food Science and Technology和《食品与发酵工业》等国内外学术期刊发表学术论文30余篇，其中以第一作者和通讯作者发表SCI收录论文14篇，单篇最高影响因子15.5；授权发明专利9项，其中以第一发明人授权发明专利5项；参编教材1部；获得内蒙古自然科学二等奖、农业部“神农中华农业科技奖—优秀创新团队奖”、长城食品安全科学技术二等奖等科技奖励，博士毕业论文被评为2018年度内蒙古自治区优秀博士论文。
引用格式
路镜达, 杨瑞, 钟罡, 等. 假小链双歧杆菌比较基因组学分析[J]. 食品与发酵工业, 2024, 50(14): 142-152.
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图文供稿| 作 者
编辑排版| 郑 越
内容审核| 陈雅薇
