空间飞行对蜡状芽孢杆菌影响的初步研究

发布时间：2017-07-18 10:15

  本文关键词：空间飞行对蜡状芽孢杆菌影响的初步研究

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【摘要】：目的：空间环境具备失重、高真空、微磁场和粒子辐射等特点,能够影响微生物的生物学形态和表型改变。本研究借助神舟八号飞船,搭载了蜡状芽孢杆菌进入太空进行实验。对返回地面的蜡状芽孢杆菌进行表型相关实验检测,以期发现经过空间诱变后蜡状芽孢杆菌的变化。并应用基因组、转录组和蛋白组学技术方法来探索和解释发生相应变化的分子机制。 方法：对返回地面的蜡状芽孢杆菌进行形态学、菌种鉴定、耐药性、溶血、生化代谢谱和生长速率等检测,筛选经过空间诱变后蜡状芽孢杆菌的空间突变株。采用高通量Illumina测序技术对地面对照株和空间突变株样本进行基因组测序,并进行比较基因组学分析,包括进化分析、共线性及重排分析、质粒鉴定及差异分析、SNP分析及注释、InDel差异分析及注释、Core Pan分析等。同时,对地面对照株和空间突变株样本进行转录组测序,获得差异表达基因集；使用iTRAQ蛋白组学技术对筛选显著差异表达蛋白。并对这些差异基因和蛋白进行CO、GGO和KEGG功能分析、聚类分析和富集分析。最后进行基因组与转录组、基因组与蛋白组；转录组与蛋白组；以及基因组、转录组、蛋白组数据库的整合分析等。 结果：本研究成功完成了神舟八号无人飞船搭载蜡状芽孢杆菌,成活率达100%。空间飞行后蜡状芽孢杆菌的形态学和溶血特性没有发生变化。与地面对照组LCT-BC244和两株空间突变株相比较,蜡状芽孢杆菌空间突变株LCT-BC25对阿米卡星的耐药性增强；空间飞行后的两株蜡状芽孢杆菌的生化代谢谱均发生了明显的变化,生长速度出现了明显的减慢。基因组进化分析发现蜡状芽孢杆菌LCT-BC244、LCT-BC25和LCT-BC235与含有致呕吐毒力基因的蜡状芽孢杆菌AH187同源性较强。但是通过基因组共线性分析提示经过空间飞行后蜡状芽孢杆菌LCT-BC25和LCT-BC235的基因组与地面对照株LCT-BC244相比没有显著的变化。质粒分析发现经过空间飞行后的蜡状芽孢杆菌比地面对照组比较少1个特异性质粒,经过Core Pan分析发现该质粒上存在7个特异基因；另外,空间飞行蜡状芽孢杆菌LCT-BC25和LCT-BC235分别有3个SNP位点。转录组学结果显示,空间飞行菌株LCT-BC25和LCT-BC235与地面对照菌株LCT-BC244比较,有千余个基因发生了差异表达,根据COG的分析结果发现,空间飞行后两株细菌主要的改变集中在转运和代谢方面。差异表达基因的功能分析发现,两株空间突变株同向性上调或者下调表达基因是受空间环境因素影响导致两株飞行株共性的改变,即空间环境对这两株细菌共同的影响是离子的转运；非同向性表达基因在与影响细菌形态和结构上的差异反映了两株菌在生长方面的差异；两株空间飞行株的各自特异表达基因主要反映在代谢方面的差异反映了提示了空间环境对细菌诱变作用的不定向性,细菌通过代谢机制来适应空间环境的变化。蛋白质组学共鉴定到1067个蛋白质,功能分析显示这些蛋白质与细菌的代谢相关。尽管空间飞行株LCT-BC25和LCT-BC235虽然空间暴露的条件相同,而且差异表达蛋白都是体现在代谢方面的改变,但是这些代谢相关蛋白发生变化的表达水平不同,反映了空间环境因素对菌株影响的不定向性。转录组、蛋白组整合分析发现两株空间飞行株的差异表达的基因和蛋白都是集中于代谢水平的变化。 结论：本研究首次利用表型、基因组、转录组和蛋白组学技术研究空间飞行对蜡状芽孢杆菌的影响,即空间环境能够影响蜡状芽孢杆菌的代谢、结构和毒力因子等的改变。空间飞行后蜡状芽孢杆菌的变化的意义尚待观察研究。研究微生物对空间环境的影响将成为载人太空探索的重要组成部分,也有利于空间的微生物学的发展。
【关键词】：蜡状芽孢杆菌 空间飞行 表型 基因组 转录组 蛋白组
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R85
【目录】：

• 中文摘要5-7
• Abstract7-15
• 英文缩略词表15-16
• 第一章 引言16-22
• 第二章 蜡状芽孢杆菌的空间搭载和空间飞行返回后细菌表型的改变22-41
• 第一节 概述22
• 第二节 材料与方法22-30
• 2.2.1 搭载装置的设计与制备22-23
• 2.2.2 蜡状芽孢杆菌的选择和搭载样本的接种23-24
• 2.2.3 搭载过程24
• 2.2.4 神舟八号返回后样品的初步处理24-25
• 2.2.5 形态学观察25-26
• 2.2.6 空间突变株的筛选26-27
• 2.2.7 菌株的耐药性实验27-29
• 2.2.8 菌株的溶血实验29
• 2.2.9 菌株的Biolog实验29-30
• 2.2.10 菌株的生长曲线30
• 第三节 实验结果30-37
• 2.3.1 细菌沙宣鉴定步骤30-32
• 2.3.2 空间飞行后细菌的形态学特点32
• 2.3.3 细菌16s测序分析32-33
• 2.3.4 耐药性检测33-34
• 2.3.5 溶血检测34
• 2.3.6 Biolog生化谱检测34-35
• 2.3.7 生长曲线35-37
• 第四节 讨论37-40
• 第五节 结论40-41
• 第三章 空间飞行后蜡状芽孢杆菌突变株基因组的改变41-84
• 第一节 概述41
• 第二节 材料与方法41-47
• 3.2.1 蜡状芽孢杆菌突变株和对照株基因组DNA提取41
• 3.2.2 测序文库的构建41-42
• 3.2.3 测序策略42-43
• 3.2.4 数据的产出和质量控制43
• 3.2.5 基因组组装43-44
• 3.2.6 基因预测及注释分析44
• 3.2.7 比较基因组学分析44-47
• 第三节 实验结果47-79
• 3.3.1 蜡状芽胞杆菌突变株和对照株基因组DNA的提取47-48
• 3.3.2 测序后数据产出和质量控制48-53
• 3.3.3 数据组装53-60
• 3.3.4 基因预测与注释分析60-67
• 3.3.5 比较基因组学分析67-79
• 第四节 讨论79-82
• 第五节 结论82-84
• 第四章 空间飞行对蜡状芽孢杆菌转录组的影响84-106
• 第一节 概述84
• 第二节 材料与方法84-89
• 4.2.1 蜡状芽孢杆菌总RNA提取84
• 4.2.2 转录组测序84-86
• 4.2.3 测序评估86-87
• 4.2.4 基因表达情况87-88
• 4.2.5 基因差异表达分析88-89
• 4.2.6 功能分析89
• 第三节 实验结果89-102
• 4.3.1 总RNA提取89-91
• 4.3.2 测序结果的评估91-95
• 4.3.3 基因表达95-97
• 4.3.4 基因差异表达分析97-98
• 4.3.5 差异表达基因的功能注释98
• 4.3.6 差异基因表达模式聚类分析98
• 4.3.7 差异表达基因的功能富集分析98-102
• 第四节 讨论102-105
• 第五节 结论105-106
• 第五章 空间飞行对蜡状芽孢杆菌蛋白质组的影响106-144
• 第一节 概述106
• 第二节 材料与方法106-111
• 5.2.1 iTRAQ定量原理106-108
• 5.2.2 iTRAQ定量蛋白质组实验流程108-109
• 5.2.3 信息分析流程109-111
• 5.2.4 蛋白功能分析111
• 5.2.5 两株空间飞行株的聚类分析111
• 第三节 实验结果111-139
• 5.3.1 总蛋白的提取、院基化处理和浓度测定112-113
• 5.3.2 蛋白质谱鉴定113-117
• 5.3.3 蛋白质定量117-119
• 5.3.4 功能分析119-122
• 5.3.5 差异表达蛋白的富集分析122-137
• 5.3.6 两株空间飞行株的聚类分析137-139
• 第四节 讨论139-142
• 第五节 结论142-144
• 第六章 空间飞行对蜡状芽孢杆菌影响的系统生物学分析144-155
• 第一节 概述144
• 第二节 材料与方法144-145
• 6.2.1 基因组与转录组、蛋白组144
• 6.2.2 转录组与蛋白组144
• 6.2.3 基因组、转录组和蛋白组的整合分析144-145
• 第三节 实验结果145-152
• 6.3.1 基因组与转录组、蛋白组145
• 6.3.2 转录组与蛋白组145-152
• 第四节 讨论152-154
• 第五节 结论154-155
• 第七章 研究结论155-159
• 7.1 研究结论155
• 7.2 本研究的优点155
• 7.3 本研究的不足之处155-157
• 7.4 今后的实验解决方案和解决思路157
• 7.5 展望157-159
• 参考文献159-166
• 致谢166-167
• 综述167-175
• 个人简介175-177

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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3 尹焕才;薛小平;杨慧;谢玉为;唐蕊华;苏婧;宋凯;呼延霆;汪桦;;模拟微重力环境下细菌生物学效应的初步研究[J];航天医学与医学工程;2009年05期

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本文编号：557212