枯草芽孢桿菌SNBS-3全基因組測序及其抑菌物質預測分析

紀帥奇，烏日娜,3，張淘崴，婁夢雪，丁瑞雪，馬 穎，武俊瑞,3,*

（1.沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110866；2.遼寧省食品發酵技術工程研究中心，遼寧 沈陽 110866；3.沈陽市微生物發酵技術創新重點實驗室，遼寧 沈陽 110866）

枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）是一類細長桿狀、內生孢子的革蘭氏陽性細菌，本身可產生多種具有良好廣譜抑菌性、穩定性和安全性的抑菌物質，例如，對金黃色葡萄球菌和單核細胞增生李斯特菌等多種食源性致病菌有良好抑制作用的細菌素Subtilosin A，其已被認為是未來可替代傳統抗生素的重要物質[1-3]。此外，由于枯草芽孢桿菌可產生多種抑菌物質，在發酵黃豆醬中能夠抑制有害菌的生長，提高發酵豆醬的品質，因此，枯草芽孢桿菌在食品防腐保鮮方面發揮著重要作用[4]。

隨著計算機技術和生物信息學技術的飛速發展，高通量測序技術在微生物基因組中得到廣泛應用，使人們能準確、高效解析微生物基因組信息，進而更好挖掘微生物功能及其作用機制[5-8]。近年來，研究者利用全基因組測序技術對不同芽孢桿菌開展菌株生物學特性研究，挖掘菌株基因組信息，預測菌株功能，這對深入挖掘細菌素合成基因簇、鑒定細菌素特定基因以及細菌素功能基因組學等方面具有重要的意義[9-13]。

為了詳細解析枯草芽孢桿菌基因組信息，本研究對從豆醬中分離的1 株具有優良抑菌特性的枯草芽孢桿菌SNBS-3進行全基因組測序，獲得基因組信息的同時，結合直系同源集（Clusters of Orthologous Groups，COG）、基因本體論（Gene Ontology，GO）、京都基因與基因組百科全書（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）、碳水化合物活性酶（Carbohydrate-Active Enzymes，CAZyme）、抗生素耐藥性數據庫（Comprehensive Antibiotic Resistance Database，CARD）和致病毒力因子數據庫（Virulence Factor Database，VFDB）等，詳細地解析基因組和菌株次級產物信息，應用AntiSMASH和Bagel4軟件發現枯草芽孢桿菌SNBS-3具有完整合成細菌素的基因簇，結合抑菌實驗和蛋白酶實驗結果驗證該菌具有合成細菌素的能力。旨在更好地為開發枯草芽孢桿菌SNBS-3提供生物信息基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

枯草芽孢桿菌SNBS-3分離于遼寧省沈陽市傳統發酵豆醬，保存于沈陽農業大學食品學院菌庫，沙門氏菌（Salmonella）、大腸桿菌（Escherichia coli）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、單核細胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、痢疾志賀氏菌（Shigella dysenteriae）、銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）同為本實驗室保存菌種。

LB培養基 上海源葉生物科技有限公司；細菌基因組DNA提取試劑盒 中科瑞泰（北京）生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）儀、TDE超低溫冰箱 美國賽默飛世爾科技公司；TGL-168高速臺式離心機 德國艾本德公司。

1.3 方法

1.3.1 體外抑菌實驗

枯草芽孢桿菌SNBS-3培養24 h收集上清液。指示菌制成活菌數為106CFU/mL的菌懸液，采用打孔法測定上清液抑菌特性，菌懸液涂布后在孔內滴加50 μL上清液，培養24 h后測量抑菌圈直徑[14]。

1.3.2 蛋白酶實驗

蛋白酶K酶液（20 mg/mL）與離心后的上清液按1∶20比例混合，45 ℃水浴30 min后取出，對照組為不加蛋白酶K、45 ℃水浴30 min的上清液，進行抑菌實驗，測量抑菌圈直徑[15]。

1.3.3 菌株DNA提取

將枯草芽孢桿菌SNBS-3培養24 h，離心收集菌體，采用細菌基因組DNA提取試劑盒提取菌株DNA，用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測提取后的DNA純度和濃度[16-17]。

1.3.4 全基因組測序

本次測序委托上海美吉生物科技有限公司完成。樣本質檢合格后，采用二代測序技術和第三代高通量測序平臺完成測序分析，原始數據的接頭去除及低質量序列等工作使用質量統計軟件來進行優化。

1.3.5 基因組組裝

基于三代測序數據，使用軟件Unicycler v 0.4.8進行組裝，組裝過程中會借助Pilonjin v1.22軟件進行序列校正，得到初步組裝結果，使用SOAPdenovo2軟件對組裝結果進一步校正，得最終組裝結果[18-19]。

1.3.6 基因預測

通過GeneMarkS軟件對基因組中的編碼序列進行預測。利用tRNAscan-SE v2.0和Barrnap軟件分別對基因組中tRNA和rRNA進行預測，獲得基因組中tRNA和rRNA序列信息[20-22]。

1.3.7 基因組圈圖繪制

將測序得到的基因組序列、編碼基因預測及非編碼RNA等信息文件組裝成GBK文件，通過CGView軟件繪制單個樣本基因組圈圖，全面展示測序基因組特征[23]。

1.3.8 基因功能分析

預測的編碼蛋白序列分別與COG、GO、KEGG、CAZyme數據庫中的蛋白序列進行BLAST比對和注釋。預測的基因組序列分別與CARD進行序列比對，完成耐藥基因分析。預測的氨基酸序列與VFDB進行比對，完成毒力基因注釋結果[24-29]。

1.3.9 抑菌物質預測分析

應用在線軟件AntiSMASH和Bagel4對菌株SNBS-3全基因組中抑菌物質合成基因簇進行挖掘，參數均設置為默認參數[30-31]。

2 結果與分析

2.1 枯草芽孢桿菌的體外抑菌效果

由圖1可知，枯草芽孢桿菌上清液中的抑菌物質對6 種指示菌均有影響，其中對革蘭氏陽性菌的抑制效果比革蘭氏陰性菌效果更好，對金黃色葡萄球菌抑制效果最好。

圖1 枯草芽孢桿菌SNBS-3體外抑菌實驗Fig.1 In vitro antimicrobial activity of B.subtilis SNBS-3

2.2 蛋白酶對枯草芽孢桿菌上清液抑菌能力的影響

由表1可知，枯草芽孢桿菌SNBS-3上清液經過蛋白酶K處理前后對6 種指示菌的抑制能力下降較大，均超過50%，說明上清液含有的抑菌物質為蛋白質或肽類。

表1 蛋白酶對上清液抑菌能力的影響Table 1 Effect of protease on the antibacterial activity of the fermentation supernatant of B.subtilis SNBS-3

2.3 基因組組成與信息

由圖2可知，枯草芽孢桿菌SNBS-3的基因組為一條環狀閉合DNA，大小為4 076 387 bp，共預測到4 000 個蛋白質編碼基因、86 個tRNA基因、30 個rRNA基因、91 個sRNA。由圖3可知，基因平均長度為897.02 bp，最短基因長度為90 bp，最長基因長度為16 545 bp，長度大于等于500 bp的基因有2 815 個，長度大于等于1 000 bp的基因有1 328 個；串聯重復序列為34 個，重復比例為0.8%；散在重復序列為35 個，重復比例為0.07%。

圖2 枯草芽孢桿菌SNBS-3基因組圖Fig.2 Genome map of B.subtilis SNBS-3

圖3 枯草芽孢桿菌SNBS-3基因長度圖Fig.3 Lengths of genes from B.subtilis SNBS-3

2.4 基因功能注釋

2.4.1 COG數據庫注釋

將菌株SNBS-3基因組中的蛋白編碼基因在COG數據庫注釋，共有3 209 個蛋白質編碼基因得到注釋，結果如圖4所示。

圖4 枯草芽孢桿菌SNBS-3 COG注釋分類Fig.4 Classification of COG annotations of B.subtilis SNBS-3

由圖4可知，注釋結果共有20 類，分別有1、172、34、302、80、255、103、97、159、260、124、196、39、103、196、67、859、127、32、54 個基因注釋分類到B～V。其中未知功能基因最多，共859 個，占注釋基因總數的26.77%，接下來注釋基因數量較多的功能分類依次：氨基酸轉運與代謝（E）302 個（占比9.41%）、轉錄（K）260 個（占比8.1%）、碳水化合物運輸和代謝（G）255 個（占比7.95%）、細胞壁/細胞膜/細胞被膜（M）和無機離子的轉運與代謝（P）各占196 個（占比6.11%）。

2.4.2 GO數據庫注釋

將菌株SNBS-3基因組中的氨基酸序列與GO數據庫進行比對分析，共有2 824 個功能基因得到注釋，結果如圖5所示。

圖5 枯草芽孢桿菌SNBS-3 GO注釋分類Fig.5 Classification of GO annotations of B.subtilis SNBS-3

由圖5可知，2 258、1 645 個和1 638 個功能基因分別注釋到分子功能、生物過程和細胞組分。在分子功能中，分類到ATP結合和DNA結合功能基因占比最多，分別為324 個（占比8.1%）和283 個（占比7.08%）。在生物過程中，分類到細胞孢子的產生與形成和轉錄調控、DNA模板化功能基因占比最多，分別為172 個（占比4.3%）和108 個（占比2.7%）。在細胞組分中，分類到膜整體組件和質膜功能基因占比最多，分別為809 個（占比20.73%）和587 個（占比14.68%）。

2.4.3 KEGG數據庫注釋

由圖6可知，注釋結果顯示共有2 560 個基因在KEGG途徑中富集到細胞過程、新陳代謝、人類疾病、遺傳信息處理、有機系統和環境信息處理五大功能中，共計42 條代謝通路。其中注釋到新陳代謝的相關基因最多，共計1 780 個，其次依次為環境信息處理、遺傳信息處理、細胞過程、人類疾病和有機系統，相關基因依次為300、191、150、93 個和46 個。

圖6 枯草芽孢桿菌SNBS-3 KEGG注釋分類Fig.6 Classification of KEGG annotations of B.subtilis SNBS-3

2.4.4 CAZyme數據庫注釋

將菌株SNBS-3中基因組數據與CAZyme數據庫進行比對分析，發現基因組中共有147 個基因編碼的蛋白質結構域屬于CAZyme家族，注釋結果如表2所示。

表2 枯草芽孢桿菌SNBS-3 CAZyme注釋結果Table 2 Results of CAZyme annotations of B.subtilis SNBS-3

由表2可知，糖苷水解酶最多，其次分別為糖基轉移酶、碳水化合物酯酶、多糖裂解酶、氧化還原酶和碳水化合物結合域。在糖苷水解酶中，纖維素酶基因（GH5家族基因）共有1 個，淀粉酶基因（GH13家族基因）有8 個。

2.4.5 CARD注釋

CARD是目前使用最為廣泛、包含最為全面的細菌耐藥基因數據庫，通過CARD數據庫注釋，以identity≥80%為條件，CARD注釋結果如表3所示。菌株SNBS-3的基因組有耐藥基因12 個，其中ykkC、blt、bmr、ykkD、vmlR基因具有多重耐藥性，含有多個耐藥受體，推測SNBS-3可能具有一定耐藥性。

表3 枯草芽孢桿菌SNBS-3 CARD注釋結果Table 3 Results of CARD annotations of B.subtilis SNBS-3

2.4.6 VFDB注釋

將菌株SNBS-3中基因組數據與VFDB進行比對分析，以identity≥70%作為篩選條件，結果如表4所示。基因組中共發現有4 個毒力因子。其中clpC毒力基因與細菌黏附相關[32]，clpP毒力基因與菌株生長代謝相關[33]，bslA和capsule兩個毒力基因的功能注釋未知，還有待研究。

表4 枯草芽孢桿菌SNBS-3 VFDB注釋結果Table 4 Results of VFDB annotations of B.subtilis SNBS-3

2.5 抑菌物質預測分析

通過在線軟件AntiSMASH和Bagel4挖掘發現SNBS-3產生的抑菌物質信息如表5所示，其細菌素合成基因簇如圖7所示。由表5可看出，枯草芽孢桿菌SNBS-3可能產生抑菌物質Subtilosin A、Surfactin、Plipastatin、Mycosubtilosin、Bacilysin、Bacillaene。由圖7可知，SNBS-3具有完整合成Subtilosin A基因簇。其中sboA是編碼細菌素Subtilosin A結構基因，翻譯后的前體結構沒有抑菌活性，需經切割加工為成熟蛋白才有活性[34]。albA對Subtilosin A前體翻譯后進行修飾，起到結合金屬離子和酶輔因子的作用。albB、albC和albD對菌株起到保護作用，抵御自身分泌的細菌素和環境中的抗菌劑的作用[35-36]。albE、albF和albG負責調控Subtilosin A的合成，與Subtilosin A產量有關[37]。通過前期抑菌實驗和蛋白酶K實驗結果可知，上清液抑菌能力下降原因可能是Subtilosin A或其他多肽類抑菌物質被蛋白酶K分解失去活性，而剩下的抑菌活性為不受蛋白酶K影響的其他抑菌物質保留的，因此枯草芽孢桿菌SNBS-3具有合成包括細菌素在內的多種抑菌物質的能力，具有生防菌的潛力。

表5 抑菌物質相關基因及其功能注釋匯總Table 5 Summary of genes related to bacteriostatic substances and their function annotations

圖7 細菌素合成基因簇Fig.7 Gene cluster for bacteriocin synthesis

3 討論與結論

目前，作為一項高效檢測技術，全基因組測序已廣泛應用于芽孢桿菌抑菌物質預測與挖掘。Johny等[38]對從海洋中分離的貝萊斯芽孢桿菌FTL7進行全基因組測序，證明了其具有產生細菌素的能力并闡明了其抑菌機制。Dindhoria等[39]對地衣芽孢桿菌MCC 2514進行全基因組測序，發現該菌株具有多種脂肽和細菌素的基因簇，具有一定防腐的能力。Iqbal等[40]對從土壤中分離得到具有抗菌活性的矮芽孢桿菌SF-4進行測序和分析，獲得與功能多樣性、進化和生物合成潛力相關基因組的同時，準確預測到菌株基因組內多種抑菌物質合成基因簇。

本研究通過全基因組測序發現S N B S-3 含有Surfactin、Mycosubtilosin、Plipastatin、Bacilysin、Bacillaene和Subtilosin A等多種抑菌物質的基因簇。這些抑菌物質在芽孢桿菌或其他菌株均有相關報道，其中Surfactin是目前已知的表面活性最強的生物表面活性劑之一，可有效破壞細菌的生物膜[41]；Mycosubtilin是一種由非核糖體合成的Iturin家族脂肽，Yu Chenjie等[42]發現枯草芽孢桿菌ATCC6633中產生的Mycosubtilin對引起谷物作物疾病的稻谷鐮刀菌和黃萎病鐮刀菌具有良好抑制作用。Plipastatin是Fengycin家族脂肽，參與抑制磷脂酶A2和生物膜的形成，可有效抑制常見食源性致病菌[43]。Bacilysin是一種由芽孢桿菌產生的二肽抑菌物質，其可通過抑制葡萄糖胺6-磷酸合酶而發揮對革蘭氏陰性食源性致病菌的抑制效果[44]。Bacillaene是一種多烯抗生素，通過抑制蛋白合成發揮作用，本身對光、溫度、氧氣等因素十分敏感[45]。細菌素Subtilosin A是一種由核糖體合成的抑菌物質，Guo Yaoqi等[46]發現Subtilosin A對多種細菌具有殺菌活性，在食品保鮮方面具有潛在的應用價值。以上結果表明，通過全基因組測序推測SNBS-3產生的抑菌物質較多，種類廣泛，具有良好的生防潛力。

綜上，本研究對具有良好抑菌能力的枯草芽孢桿菌SNBS-3進行全基因組測序，通過與多種數據庫比對，發現其基因組為一條環狀閉合DNA，大小為4 076 387 bp，GC含量為43.82%，預測共有4 000 個蛋白質編碼基因、86 個tRNA基因、30 個rRNA基因和91 個sRNA基因。應用AntiSMASH和Bagel4在線分析軟件，快速且準確地從基因層面預測枯草芽孢桿菌SNBS-3產抑菌物質及其細菌素Subtilosin A的合成基因簇。解析SNBS-3基因組的同時也有助于未來實現Subtilosin A的異源表達，降低細菌素的生產成本，提高菌株在食品防腐和生物防治方面的應用價值。