宏基因組+蛋白質組學探索紅麻脫膠過程中相關的微生物群落變化

前言

2022年11月，中國農業科學院麻類研究所功能纖維材料開發與利用團隊在

《BMC Plant Biology》期刊

發表了題為

“Metagenomic and proteomic analysis of bacterial retting community and proteome profile in the degumming process of kenaf bast”

的研究成果，研究分析了在漚麻過程中與紅麻韌皮纖維相關的微生物群落，以確定潛在的候選脫膠微生物。透過對收集漚麻液進行分析，評價不同漚制時間的紅麻纖維產量和質量，運用

宏基因組

和

蛋白質組學

對微生物群落進行表徵。

基本資訊

中文標題：

基於宏基因組學和蛋白質組學分析紅麻脫膠過程中微生物群落與蛋白組變化規律

發表期刊：

BMC Plant Biology

影響因子：

5。260

作者單位：

中國農業科學院麻類研究所

涉及的組學研究：

宏基因組學、

蛋白質組學

研究背景

紅麻

屬錦葵科（Malvaceae）木槿屬（Hibiscus）一年生草本植物，是重要的韌皮纖維作物。紅麻韌皮原料除含有大量的纖維素外、還含有果膠、半纖維素和木質素等“膠質”成分。為了獲得高質量的紡織纖維原料，必須透過“脫膠”去除非纖維素物質。在崇尚“綠色、環保”的今天，紅麻生物脫膠備受青睞。迄今為止，紅麻脫膠的微生物群落和功能蛋白尚不清楚。此外，對功能微生物的篩選和遺傳構建也缺乏理論依據。已有的研究主要集中在可培養過程中的芽孢桿菌、梭狀芽胞桿菌、梭狀芽胞桿菌和假單胞菌等。

本研究已確定了脫膠生態系統中的優勢細菌，包括梭狀芽孢桿菌、假單胞菌等細菌。一些細菌，特別是芽孢桿菌屬、芽孢桿菌屬和梭狀芽孢桿菌屬的成員，已被證明可以產生果膠酶。這些細菌的存在加速了脫膠過程。因此，鑑定與非纖維素降解酶（如：果膠酶等）相關的微生物可能對紅麻脫膠過程有重要意義。

研究思路

研究結果

1.漚麻液的物理化學特性

發酵液和還原糖的pH值表徵了發酵液過程中的生物發酵環境。pH值是影響微生物生長和脫膠酶活性的重要因素，一般理想的pH範圍在6。5~8。0之間。隨著漚麻時間的延長，漚麻液的pH值逐漸下降，10天后達到最低值（pH 6。4），此後pH持續升高，直到漚制34天，pH為7。3（圖1）。與pH趨勢一樣，紅麻發酵液中還原糖的含量在發酵早期（前10天）持續下降，然後逐漸增加（圖1）。

綜上所述，在漚麻過程中，pH和還原糖含量的變化趨勢呈現為“V”形。

圖1 | pH值的變化及還原糖含量

2.紅麻纖維的形態和產量

透過對不同發酵時間的出現進行定性分析。資料表明，隨著漚麻時間的增加，紅麻纖維的柔軟度、分散度和纖維白度顯著提高（圖2A），說明漚麻時間的增加增強了脫膠效果。掃描電鏡（SEM）可以清楚清晰地評估纖維表面形貌。掃描電鏡結果表明，紅麻纖維在發酵10天后被部分降解並開始分散。34天后，纖維完全分散，表面更平滑（圖2B）。紅麻纖維得率為63。9%。

圖2 | 不同吸液時間的外觀形態和纖維形態

3.宏基因測序分析

對原始序列分類分別為185個門、170個綱、352個目、795個科、3407個屬。在門水平上，樣品中最豐富的門是擬桿菌門、變形菌門和厚壁菌門。在基線和早期階段，擬桿菌門的相對丰度沒有顯著差異。然而，在發酵結束時，擬桿菌門菌的丰度大大降低（圖3A）。相反，變形菌門的丰度隨著發酵時間的延長而增加（圖3A）。與變形菌門相似，纖維桿菌隨著吸液時間的延長而增加（圖3A）。

在屬水平上，普雷沃氏菌是最佔優勢的細菌。普雷沃氏菌在0d和10d的相對丰度約為55%，但在發酵結束時下降到21。27%（圖3B）。此外，結果顯示，不動桿菌的相對丰度從基線時的2。88%增加到第34d時的6。64%（圖3B）。在漚麻階段，梭狀芽孢桿菌的一些成員從基線時的3%減少到脫膠後34d時的2%（圖3B）。然而，其他幾種平均丰度大於1%的細菌在各組間沒有顯著差異。

圖3 | 樣品中細菌的相對丰度

4.碳水化合物活性酶的分析

為了鑑定樣品中的碳水化合物活性酶，作者將從微生物群落中鑑定出的蛋白質與CAZy資料庫的整個非冗餘序列進行了相似性搜尋（圖4A和B）。Kruskal-Wallis資料顯示，糖苷水解酶家族（GHs）在34d中表達下調（圖4C），而輔助活性（AAs）在34d中表達上調。苯醌還原酶、纖維二糖脫氫酶、葡萄糖1-氧化酶、芳醇氧化酶和醇氧化酶是發酵液中最豐富的酶。

這些觀察結果表明，隨著脫膠的進行，碳水化合物的利用率不斷變化。

圖4 | 碳水化合物活性酶（CAZy）分析結果

5.蛋白質組學資料

PCA結果顯示，0d的樣本均位於第二象限；10d的樣本位於第四象限（第三象限的一個除外），而34d的樣本均位於第一象限。PCA顯示總方差的28。87%（PC1）和18。33%（PC2）（圖5A）。樣本間相關分析顯示，同一組樣本具有較高的相關性（圖5B）。

資料表明，同一組的樣品重複性良好。

圖5 | 蛋白質組學資料分析

6.差異表達蛋白及功能分析

表達蛋白差異性及其功能進行分析

，發現10d與0d比較，10d內高表達32、24，低表達；34d，DEPs上調51，下調30；34d和10d，DEPs分別上調和下調（圖6A）。此外，作者繪製了一個熱圖來分析每次比較中DEPs的表達情況（圖6B）。

蛋白註釋資訊進一步分析DEPs

，發現上調的前5位（P37698、Q05120、P0A913、A6LEI8和B7JYG7）和下調的前5位的DEPs（P11221、Q3YUZ8、P0AY9Y8、Q97D82和P20148），倍數變化最大（圖6C）。結果表明，部分的DEPs在10d時發生了顯著變化，而其餘的DEPs在34d時發生了顯著變化。此外，所有DEPs的註釋資訊顯示，P82593是一種重要的半纖維素。

KEGG富集分析

對10d vs。 0d和34d vs。 0d鑑定的DEPs進行分析。結果顯示，五種碳水化合物代謝相關途徑的富集。以3個DEPs、P19543、Q1ACK0和Q59199為關鍵指標，這三個DEPs的丰度如圖6D所示。

作者還分析了不動桿菌和梭狀芽孢桿菌中蛋白的表達。不動桿菌的蛋白表達譜顯示，隨著反應時間的推移，B7GYR8、Q6RYW5和Q6FFK2的平均水平隨著脫膠時間的延長而降低，而P05149的平均水平上調（圖6E）。對於梭狀芽孢桿菌中的蛋白，三個脫膠相關蛋白P37698、P52040和P54937隨著取樣時間的推移而上調（圖6E）。

圖6 | 蛋白質組學資料和重要差異表達蛋白（DEPs）的表達

7.冗餘分析（RDA）

作者進一步強調了上述結果，結果表明，軟壁門、變形菌門和厚壁菌門與pH值和還原糖含量呈正相關。擬桿菌門菌與pH呈負相關（圖7A）。此外，利用RDA對上述前20個門和候選門進行分析。結果表明，厚壁菌門與Q07637、Q6RYW5、P0DM31、Q97D82和P11221呈正相關，而與Q6FFK2呈負相關。變形菌門與P82593呈正相關（圖7B）。

圖7 | 冗餘分析（RDA）排序圖

研究結論

不動桿菌和梭狀芽孢桿菌可能在該紅麻脫膠過程中發揮重要作用。

P37698、P52040、P54937和P82593蛋白的上調是脫膠過程中的重要表現形式，並起了重要作用。

P82593作為一種半纖維素酶，可能在紅麻的脫膠過程中起決定性作用。

小鹿推薦

本文首次採用

宏基因組學和蛋白質組學

結合的方法，分析紅麻脫膠過程中微生物的多樣性和功能蛋白的變化。此外，還篩選了河南信陽地區脫膠微生物的優勢微生物和差異表達蛋白。本文的研究可為篩選紅麻脫膠微生物和解析生物脫膠催化機理，提高紅麻脫膠效率和纖維質量提供可靠依據。

詳細技術請訪問鹿明生物官網

百度搜索鹿明生物（lumingbio）

瞭解更多多組學技術

（宏基因組學、蛋白質組學）

猜你還想看

1、Ann Neurol | 神經科學一區TOP期刊，代謝組學為鑑別急性缺血性卒中與擬卒中提供相關診斷價值

2、專案文章 | 轉錄組學和代謝組學聯合分析揭示旱稻地方品種17SM-19幼苗耐鹽性的分子機制

3、專案文章 | 安徽中醫藥大學邢世海團隊運用多組學研究霍山石斛對奈米Fe3O4的生理代謝響應機理

4、PNAS | 空間代謝組+蛋白質組探究肺腺癌治療的新靶點——FASN抑制劑可能為kras相關肺腺癌的治療提供新藥物

本文系鹿明生物原創

轉載請註明本文轉自鹿明生物