胃肠道微生物元基因组耐盐酶类及基因的挖掘与分析

Microbiota inhabiting in the gastrointestinal tract counter numerous environmental stresses such as acid, bile salts and elevated osmolarity, and adaptation to the pressures of environment are crucial for their successful survival and colonization. Therefore, exploration and utilization of salt tolerance enzymes and genes concerning gut microbiota not only have important theoretical significance on the study of creatures adapting to extreme environment, but also have crucial application in the fields such as biological technology. This study based on the constructed metagenomic library of the gastrointestinal tract microbes of Nycticebus pygmaeus and Rhinopithecus bieti, function driven screening of salt tolerance genes and enzymes, and focuses on the genetic diversity of salt tolerance enzymes and genes of gastrointestinal tract microbiota. This study investigates also the cloning, heterologous expression, and physiological and functional characterization of potential salt tolerance genes and enzymes in the gastrointestinal tract microbiota metagenome, and comparison the difference between salt tolerance genes and enzymes of microorganisms in gastrointestinal tract and those in other environment. This research could lay the theoretical foundation to explore mechanism of salt stress tolerance involved in the gastrointestinal tract microbiome and utililization of the gut microbe resources.

栖息于胃肠道的微生物面临着如酸、胆盐、渗透压等压力，适应外部环境压力对于胃肠道内微生物的定植和生存至关重要。因此，针对胃肠道微生物开展耐盐酶类及基因资源的挖掘与利用，不仅在生物适应极端环境研究方面具有重要理论意义，而且在生物技术等领域具有重要应用价值。本项目拟从已构建的倭蜂猴和滇金丝猴胃肠道微生物元基因组文库出发，对其进行耐盐基因及酶类的功能筛选。研究胃肠道微生物中耐盐酶类及基因的组成和遗传多样性，并对潜在的耐盐基因及酶类功能基因进行克隆、异源表达、生理和功能研究，比较胃肠道与其它环境微生物中耐盐基因及酶类的差异，为探究胃肠道微生物的耐盐机理及发掘、利用胃肠道微生物资源奠定理论基础。

栖息于胃肠道的微生物面临着酸、胆盐、渗透压等压力，相对高渗的胃肠道腔及饮食的变化可导致胃肠道中产生渗透压力，而适应外部环境压力对于胃肠道内微生物的定植和生存至关重要。本项目基于元基因组学技术，针对胃肠道微生物中耐盐酶类及基因的组成、遗传多样性、性质及功能进行了以下研究。.①胃肠道微生物元基因组文库的功能筛选及测序：以NaCl为筛选因子，从已构建的倭蜂猴和大额牛胃肠道微生物元基因组文库中筛选获得48个耐盐克隆，对其中耐盐性较好的10个克隆进行高通量测序。.②耐盐克隆中胃肠道微生物基因的研究：基因功能注释获得1285个基因及酶类，GO富集、COG功能分类和KEGG分析表明，大多数耐盐克隆基因都与生物过程中的代谢和细胞过程有关；主要涉及碳水化合物运输和代谢、转录、复制、重组和修复、无机离子转运和代谢、防御机制和移动元件：原噬菌体，转座子；含盖KEGG代谢途径的碳水化合物代谢、膜转运、耐药性和核苷酸代谢。.③胃肠道微生物耐盐酶类及基因组成的分析：其中91个功能基因编码耐盐相关的蛋白质，包括应激蛋白、异构酶、转录调节因子、脱氢酶、水解酶、加氧酶、阳离子转运体等。.④胃肠道微生物耐盐酶类及基因的遗传多样性、克隆表达及鉴定：对筛选获得的19个6-磷酸海藻糖水解酶、β-半乳糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶进行了异源表达及纯化。系统进化分析表明，其序列与其它肠道细菌来源的同类酶亲缘关系较近，但是酶的性质及功能存在明显差异，普遍具有较强的温度、pH、NaCl和糖适应性，在食品、化工和生物技术等领域有较大的应用潜力。.综上，胃肠道微生物具有不同于其它环境及微生物来源的耐盐酶类及基因，其盐耐受能力可能与特殊的膜结构、转录调控过程、高转运和代谢能力有关。研究为进一步深入研究胃肠道微生物的耐盐机理奠定了理论基础，并为该环境中耐盐酶类及基因资源的开发和利用奠定了基础。