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为深入了解Pediococcus acidilactici菌株 BCB1H 的遗传特性及应用潜力，北京工商大学的研究人员对其进行基因组分析。结果揭示了关键基因组特征。该研究为其在食品、医药等领域的应用提供依据，值得科研读者一读。
在微生物的奇妙世界里，乳酸菌（Lactic Acid Bacteria，LAB）一直是食品工业中的 “明星选手”。其中，片球菌属（Pediococcus）凭借其独特的本领，在发酵食品、动植物相关生态位中都占有一席之地。Pediococcus acidilactici作为片球菌属的一员，更是备受关注。它不仅能产生乳酸，在食品保存方面发挥重要作用，还具有成为益生菌的潜力，对动物健康和生物技术领域也意义非凡。
随着科技的飞速发展，高通量测序技术为深入探索微生物的遗传奥秘提供了有力工具。然而，尽管对P. acidilactici已有一定研究，但仍存在不少未解之谜。比如，其遗传组成究竟包含哪些独特信息？那些功能元件在不同环境下如何发挥作用？在生物技术应用方面，还有哪些潜在价值等待挖掘？为了揭开这些谜团，北京工商大学的研究人员展开了深入研究，并在《Scientific Reports》期刊上发表了题为 “Genomic analysis of Pediococcus acidilactici strain BCB1H reveals its genetic features and biotechnological potential” 的论文。通过研究，他们揭示了P. acidilactici菌株 BCB1H 的遗传密码，发现了其在食品、医药等多个领域的巨大应用潜力，这一成果为相关产业的发展提供了重要的理论依据。
在这场探索微生物遗传奥秘的旅程中，研究人员运用了一系列先进的技术方法。首先是全基因组测序技术，借助 Illumina NovaSeq 6000 平台，获取了 BCB1H 菌株全面而精确的基因组数据。接着，利用多种生物信息学工具进行深入分析。像 Prokka - BVBRC 注释工具，能够准确识别编码序列（coding sequences，CDS）、转运 RNA（transfer RNA，tRNA）、核糖体 RNA（ribosomal RNA，rRNA）等基因组元件；JSpeciesWS 网络服务器则用于比较基因组和计算平均核苷酸同一性（average nucleotide identity，ANI），从而探究不同菌株间的遗传关系；还有 IPGA 在线工具，帮助完成了泛基因组和核心基因组分析，挖掘出菌株间的共性与差异 。
基因组架构与结构洞察
研究人员通过对 BCB1H 菌株基因组的精心组装和注释，发现其基因组由 4 个重叠群组成，大小约为 1,915,620 bp，GC 含量为 42.37% 。在这个小小的基因组里，藏着 1,905 个编码序列，其中包括 1,817 个功能基因等。而且，该基因组完整性高达 99.48%，污染率极低，仅为 0.85%，组装指标也十分出色，N50 达到 1,820,736 bp。借助 ProkSee 工具绘制的基因组圆形图，就像一张详细的地图，清晰展示了基因分布、CDS、tRNA、rRNA 等关键信息，让研究人员对 BCB1H 菌株的遗传景观有了更直观、更深入的了解。
比较分析与平均核苷酸同一性（ANI）
为了探究 BCB1H 菌株与其他P. acidilactici菌株的遗传关系，研究人员将它们放在一起进行比较。结果发现，这些菌株之间的平均核苷酸同一性（ANI）相当高，ANIb 值在 96.86% - 99.39% 之间。其中，P. acidilactici FDAARGOS_1007 与 BCB1H 菌株的相似性最高，而P. acidilactici CCUG32235 的相似性最低。通过热图展示的遗传相似性数据，就像一幅色彩斑斓的地图，红色区域代表高相似性，蓝色区域表示低相似性，从图中能明显看出不同菌株间的亲疏关系，这为研究P. acidilactici的遗传多样性和进化历程提供了重要线索。
基于 TETRA 分析的基因组相关性
TETRA 分析是从核苷酸组成的角度，来探究菌株间的序列相似性。研究发现，各菌株的 PCC 值（Pearson correlation coefficient，皮尔逊相关系数）在 0.99472 - 0.99925 之间，数值都非常高。这表明这些菌株在核苷酸组成层面紧密相连，仿佛是一群有着深厚血缘关系的 “亲戚”。其中，P. acidilactici FDAARGOS_1007 与 BCB1H 菌株的 PCC 值最高，再次证明它们之间遗传关系的紧密程度。
综合基因组子系统分布
研究人员利用 Prokka 对 BCB1H 菌株的基因组进行子系统分类和功能注释，发现约 41% 的基因组能够被分类到特定子系统中。其中，参与代谢（Metabolism）的基因数量最多，有 267 个，分布在 46 个子系统中，这表明 BCB1H 菌株在能量产生和物质合成等基本生命活动方面非常活跃。此外，参与蛋白质加工（Protein Processing）、应激反应（Stress Response）、防御（Defense）、毒力（Virulence）以及 DNA 加工（DNA Processing）等过程的基因也占有一定比例，说明该菌株具备应对环境压力和调控自身遗传信息的能力。而细胞包膜（Cell Envelope）、调节与细胞信号传导（Regulation and Cell Signaling）、膜转运（Membrane Transport）等子系统的基因相对较少，暗示这些方面的功能可能没有那么复杂。
特殊转运和功能基因的发现
借助 Prokka 和 BVBRC 注释工具，研究人员在 BCB1H 菌株基因组中发现了多种特殊转运蛋白基因。比如，与 holin - 样蛋白相关的基因，可能在细胞膜破坏或抗菌作用中发挥关键作用；PTS 系统相关基因，表明该菌株具备运输糖类，尤其是甘露糖及其相关糖类的能力。此外，ABC 转运蛋白家族中的多个基因也被发现，它们分别参与细菌通讯、DNA 吸收、甘油摄取、细菌素输出等重要过程，这些发现揭示了 BCB1H 菌株强大而多样的运输系统，为其在不同环境中生存和竞争提供了有力支持。
泛基因组分析
- 同源基因簇（COG）分析：研究人员利用 IPGA 服务对 BCB1H 菌株及其他多株P. acidilactici进行 COG 分析，结果显示不同菌株的基因数量和基因组长度存在差异。通过分析，能够识别出不同菌株间保守和特有的基因簇，这些基因簇参与了各种生物活动，为研究P. acidilactici物种的遗传多样性和进化关系提供了重要信息。
- 核心基因组分析：对P. acidilactici菌株的核心基因组分析发现，随着研究基因组数量的增加，核心基因簇的数量逐渐稳定在约 2200 个。这表明P. acidilactici的核心基因组高度保守，这些核心基因在不同菌株中共享，承担着关键的生理功能，是维持该物种基本生命活动的重要基础。
- 泛基因组多样性和辅助基因：泛基因组分析表明，随着基因组数量从 12 个增加到 16 个，泛基因组中的基因簇数量也从大约 2500 个增长到 4000 个。这其中既有核心基因簇，也有辅助基因簇，而且辅助基因的数量随着研究基因组的增多而增加，充分体现了P. acidilactici物种丰富的遗传多样性和菌株特异性。
- 聚类共享分析：聚类共享分析通过比较不同菌株间共享的基因簇数量，揭示了它们的遗传相似性和功能共性。例如，P. acidilactici PA_ZFRA1 和 13.7 共享 1876 和 2177 个基因簇，这些数据直观地展示了不同菌株间的遗传重叠程度，反映了它们在进化过程中的联系。
- 聚类相交分析：聚类相交分析用于研究不同菌株基因簇的重叠情况，通过比较多株菌株的基因簇，能够找到它们共有的基因集和各自特有的基因集。这有助于深入了解菌株的特异性适应机制和物种内的遗传多样性，为进一步挖掘P. acidilactici的功能特性提供了线索。
- 核心 - 泛基因组折射分析：核心 - 泛基因组折射分析显示，随着基因组数量的增加，泛基因组中的基因簇数量上升，而核心基因组相对稳定，辅助基因组不断扩大。这说明P. acidilactici物种具有强大的遗传变异和适应环境的能力，能够通过获得新的基因来适应不同的生存环境。
基于 SNP 的系统发育分析揭示遗传联系和差异
研究人员运用基于单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms，SNPs）的系统发育分析方法，构建了P. acidilactici菌株的系统发育树。这棵树以 0.1 为尺度，清晰展示了 BCB1H 菌株与其他菌株的进化关系。通过这棵 “进化树”，研究人员能够轻松找到与 BCB1H 菌株亲缘关系较近的菌株，同时也能直观地评估该物种内的遗传多样性，为深入了解P. acidilactici的进化历程提供了直观的依据。
探索水平基因转移对遗传多样性的贡献
利用 Aller Hunter 程序，研究人员在 BCB1H 菌株基因组中发现了多个水平基因转移（Horizontal Gene Transfer，HGT）位点。这些位点大小在 0.2 Mbp - 1.8 Mbp 之间，可能携带与菌株适应性相关的基因，比如抗生素抗性、致病性或代谢能力相关基因。HGT 位点的存在表明，BCB1H 菌株从外部获取了遗传物质，这极大地丰富了其遗传多样性，也为其在不同环境中的生存和发展提供了更多可能。
基于 BLAST 的基因组比较
通过 BLAST 对多个P. acidilactici基因组与 BCB1H 菌株基因组进行比较，研究人员发现不同基因组区域的序列同一性在 82% - 100% 之间波动。其中，有部分区域的序列同一性超过 90%，甚至存在同一性超过 98% 的区域，这些高度保守的区域暗示了它们在菌株生存和功能发挥中的重要性。同时，也有一些区域同一性相对较低，但仍具有一定相似性，这反映了基因组的变异性，有助于研究人员进一步了解菌株间的遗传差异和进化关系。
抗生素抗性基因谱
研究人员借助综合抗生素抗性数据库（Comprehensive Antibiotic Resistance Database，CARD），在 BCB1H 菌株基因组中鉴定出多种抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes，ARGs）。这些基因赋予了菌株对氟喹诺酮类、莫匹罗星、利福平、阿莫西林等多种抗生素的抗性。而且，这些抗性基因在基因组上的分布呈现出一定的规律性，主要集中在 0.2 Mbp - 1.8 Mbp 的区域，这表明 BCB1H 菌株可能存在复杂的多药耐药机制，对其在含有抗生素的环境中的生存具有重要意义。
绘制 II - A 型 CRISPR - Cas 系统图谱
研究发现，BCB1H 菌株基因组中存在 II - A 型 CRISPR - Cas 系统，包括 cas9、cas1、cas2（Type I - II - III）和 csn2 等基因。这些基因分散在基因组的不同区域，与特定的 CRISPR 阵列和开放阅读框（Open Reading Frames，ORFs）共同构成了一个强大的防御体系。该系统能够帮助 BCB1H 菌株抵御噬菌体和质粒等外来遗传物质的入侵，在原核生物的适应性免疫中发挥关键作用，同时也为其在生物技术领域的应用提供了潜在的工具。
基因组预测生物活性次生代谢产物
利用 antiSMASH 程序对 BCB1H 菌株基因组进行分析，研究人员发现了多个生物合成基因簇（Biosynthetic Gene Clusters，BGCs），这些基因簇与多种生物活性次生代谢产物的合成密切相关，其中包括多种核糖体合成并翻译后修饰的肽（Ribosomally Produced and Post - translationally Modified Peptides，RiPPs）。而且，通过与其他物种的序列比对，发现该菌株与多种细菌在次生代谢产物合成方面存在相似性，这不仅揭示了 BCB1H 菌株产生生物活性分子的能力，还暗示了它与其他微生物在生态系统中的相互作用关系。
研究人员通过对P. acidilactici菌株 BCB1H 的全基因组分析，全面揭示了其遗传组成和功能特性，发现了众多关键基因组特征，这充分展示了该菌株在工业和治疗领域的巨大应用潜力。不过，目前研究也存在一些局限性，比如部分基因组元件的功能尚未通过实验验证，对 CRISPR - Cas 系统、水平基因转移与其他基因组元件之间的关系也有待进一步探究。
未来的研究可以从多个方向展开。一方面，要加强对预期生物活性化学物质和抗菌特性的实验验证，明确这些特性在实际应用中的效果；另一方面，深入研究水平基因转移在塑造P. acidilactici遗传多样性和适应性方面的作用机制，有助于更好地理解该物种的进化和生存策略。此外，扩大对Pediococcus属其他物种的比较研究，能够更全面地了解该属的遗传和功能进化规律。随着合成生物学和基因组编辑技术的不断发展，对P. acidilactici菌株进行有针对性的改造，有望进一步提高其生物活性物质产量和益生菌性能，使其在食品技术、医学、环境生物技术等领域发挥更大的价值，为人类的健康和可持续发展贡献力量。
