国家自然科学基金重点资助项目 L *’) $%%"O%!% N
微生物菌种 食品级真菌 酿酒酵母 乳酸克鲁维酵母 黑曲霉 食品级细菌 枯草芽胞杆菌 乳酸乳球菌 植物乳杆菌 唾液链球菌 保加利亚乳杆菌 细菌病原菌 空肠弯曲杆菌 大肠杆菌 I!J, ： K, 金黄色葡萄球菌 单核细胞增生杆菌 蜡状芽孢杆菌
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食品科学
!综述
食品微生物基因组学的研究进展
娄
摘 要
恺
班
睿
Байду номын сангаас
赵学明
天津大学化工学院生物化学工程系
天津
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随着已完成或正在进行基因组测序的食品微生物数量的迅速增加，利用基因组信息进行比较基因组学及功
能基因组学的研究将有益于食品生物技术的发展， 它不但有助于了解微生物细胞的生理及代谢功能， 而且还为利用食 品级生物改进食品的功能及安全性提供了众多可能性。 关键词 比较基因组学 功能基因组学 食品微生物
食品生物技术主要涉及将原材料生物转化为可最终消费 的产品，微生物在此过程中起着重要作用。一方面可利用它生 产某些食品组份及改进食品的功能，另一方面病原微生物和腐 败微生物也影响着食品的安全及卫生。因此，食品微生物基因 组学的研究将对食品生物技术产生积极的影响，由于微生物的 基因组较小以及高通量测序设备的出现，使微生物基因组学迅 速发展，本文将简要介绍食品微生物功能及比较基因组学的最 新进展。
组相比较，其外侧基因的转移范围比预期的要广，同时还发现 了 !",# 个新的基因 Q O R 。对 T) 642143 的两个菌株 L 二甲氧基苯青 霉素抗性及万古霉素抗性 N 的基因组全序列进行分析之后，也 发现了基因转移现象
Q, R
。测定这些食品病原菌的基因组全序
列，不但有助于研究新的抗感染疗法而且还能通过分析病原菌 对食品加工条件所起的反应，发现其弱点从而找出根治的方 法。 $ 食品微生物的比较基因组学 可以利用比较基因组学中最简单的方法，序列比对，对食 品微生物进行研究。例如，全基因组与高度相关的基因组序列 全基因组与中等相关程度的基 之间的比较 L 两株 T) 642163 N Q , R ， 表! 已完成或正在进行基因组测序的食品微生物 基因组 L M> N !$) %O# !$ "% P) $!P $) "OJ ") "%# !) # $) " !) OP! J) P+# $) #!% $) +PP J 参考资料 Q!R Q$R Q !J R Q"R QPR Q !O R Q !, R Q !# R QJR QOR Q,R Q !+ R Q $% R
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食品微生物基因组的测序 目前已完成或正在进行基因组测序的食品微生物如表 !
所示。 在食品组微生物中，T) ;121B.3.61 的全基因组测序率先完成 Q ! R ， 与这相关的其它醇母菌基因组测序工作已展开。 U) (6;/.3 的基 因组大小与 T) ;121B.3.61 相似，并约有 $%%% 多个可读框架与后 者同源 Q $ R 。丝状真菌作为酶制剂生产菌在食品工业中具有重要 用途，但同时它们还是腐败微生物及植物病原菌，与工业化生 产相关的 V) :.<12 的基因组测序正在进行之中。 食品级细菌由革兰氏阳性菌 L W X N 组成。作为 W X 菌的模式 菌株， Y) 34>/.(.3 的基因组全序列的测定最先完成 Q " R 。Z) (6;/.3 的 基因组全序列也于 $%%! 年公开发表 Q P R ， 尽管 Z) (6;/.3 的基因组 大小仅有 Y) 34>/.(.3 分别为 !# 和 "P 个， 这也许反映了两者生态 环境的不同，Z) 34>/.(.3 分别为 !# 和 "P 个，这也许反映了两者 生态环境的不同， Z) (6;/.3 一般生长于营养条件相对稳定的环境 中 L 如牛奶 N 而 Y) 34>/.(.3 则是能形成孢子土壤微生物。 由于在制药行业中极具重要性，许多食品病原菌的基因组 全序列测序工作也已完成。 G) [1[4:. 是引发食品腐坏而导致腹 泻的主要原因，在食品病原菌中，其基因组全序列的测定是最 先完成的 Q J R 。 许多由食品腐坏而 \) ;’(.I!J, ] K, 能产生细胞毒素， 导致出血性结肠炎的爆发均与之有关。 这与 \) ;’(.U!$ 的基因
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展， 有理由相信基因组学的研究将会扩展至更多的食品微生物。 L 展 望
。随着已完成测序的全基因组数量的迅速增加及生物信息学
的快速发展，进行序列比对的机会也将呈指数形式增加。根据 序列的相似度，在基因组序列的解释及组装阶段就可进行上比 对工作，它能为下一步的功能研究提供一个结构框架。肺炎链 球菌 + ;9@<AB$-$--@: A?<@C$?.8< 4 是鸟嘌呤和胞嘧啶 + D@8?.?< 8?E -F9$:.?<G DH 4 含量较低的革兰氏阳性菌，通过与其它已测序的 微生物菌株全基因组相比较，在预测的 !!’I 个蛋白中有 )"/ 个与 J& %8-9.:KJ*L" 的高度相似， 此外， 仅有 *"/ 个蛋白与共它低 DH 的 D M 菌的已知蛋白没有相似性 5 ) 7 。 若仅有一个模式菌株的基因组全序列或部分序列可供用， * 仍有一些能进行比较基因组学研究的方法。通过系统分析利用 扣除杂交法 + ;@N9=8-9.>< BFN=.E.O89.$? 4 所得到的新的未知序列， ! 可以对其定性。由于其高通量通量， P(Q 微点阵是有潜力的另 一种方法。涵盖 )"R ;& 8@=<@: 基因组的 P(Q 微点阵已经被构 建成功并用于研究 ’I 株从环境中分离到的菌株的多样性及进 化 5 *" 7 。 ’ 食品微生物的功能基因组学 L 由于 ;& -<=<>.:.8< 的遗传背景清楚并且其全基因组序列测 定最先完成，它已成为功能基因组学研究的新的范式系统。利 用转录分布 + S=8?:-=.A9 A=$T.%.?U 4 的方法对 ;& -<=<>.:.8< 的生理学 进行了某些研究，例如在连续培养和高盐两种条件下，进行有 氧及无氧生长时分别分析其全基因组转录特征。此外，还对用 于酿制葡萄酒的众多 ;& -<=<>.:.8- 菌株进行了转录分布的研究， I 结果表明这些菌株的 P(Q 转录程度不同。将转录组学与蛋白 质组学的方法综合起来，研究了 ;& -<=<>.:.8< 的半乳糖代谢途 径， 在测定的 !6) 个蛋白中约有 */ 个受转录后调节 5 ** 7 。 进行全 基因组研究的主要限制是需要用基因的功能信息解释其结果， 从基因组中 而 ;& -<=<>.:.8< 的很多基因所编码的蛋白功能未知， 将共敲除后，这些基因也不显示任何功能。但能过综合分析突 变株中代谢物浓度以及与野生型菌株代谢特征进行比较后，就 可获得有关缺失基因的功能信息，这也是比较代谢组学 + H$CA8=89.>< C<98N$%$C.-: 4 用于基因功能分析的一种方法。 相对于 ;& -<=<>.:.8< 的复杂研究， 与食品相关的细菌基因功 能组学仍处于发展阶段，但近年来有关 V& :@N9.%.: 的研究却取 得丰硕成果。首先， V& :@N9.%.: 启动子转录因子数据库已经建立
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食品微生物的基因组学已研究产生了大量的原始信息，利 用这些基因组信息及相关的生化信息研究微生物基因型与表 型之间接关系将是下一步的研究方向。代谢工程中的代谢通量 分析是适合此研究的较好工具，它已被用于根据 ,& -$%. 的基因 组信息， 分析、 解释并预测其表型的研究 5 *L 7 ， 这也预示着表型组 学 + AB<?$C.-: 4 的兴起。 参考文献 D$TT<8@QG V8==<%%VDG V@::<F2<98%& J.T<W.9BI"""U<?<:& ;-.<?-<G *))IG !0LX /I’ Y /I0& S$TT8?$ Z (.$-B< HG Q=9.U@<?8>< [ <9 8%& V$%$9.? Z [@\@B8=8 ]， D<?$C.-<^A%$=89.$?$T9B<B<C.8:-$CF-<9$@:F<8:9:X **& 3%@F><= Z $CF-<: %8-9.:& [,V; J<99G !"""G L60X II Y 0"& ’ 3@?:9G [ _ U8:8W8=8G ( ] $:O<= <9 8%& SB< -$CA%<9< U<?$C< :<‘ a@<?-< $T 9B< D=8C Z A$:.9.>< N8-9<=.@C V8-.%%@: :@N9.%.:& (89@=<G *))0G ’)"X ’IL Y ’0"& V$%$9.?G Q b .?-\<=G c ] 8@U<= ; <9 8%& SB< -$CA%<9< U<?$C< :<a@<?-< $T 9B< %8-9.- 8-.E N8-9<=.@C J8-9$-$--@: %8-9.: :@N ‘ :A& %8-9.:& D<?$C< d<:G !""* + ** 4 X 0’* Y 0/’& / c8=\B.%%G eb=<?G b]@?U8%% <9 8%& SB< U<?$C< :<a@<?-< $T 9B< T$$E Z N$=?< A89B$U<? H8CAF%$N8-9<= f<f@?. =<><8%: BFA<=>8=.8N%< :<a@<?-<:& (89@=<G !"""G L"’X II/ Y II6& c<=?8 (SG c%@?\<99 KKK DG V@=%8?E # <9 8%& D<?$C< :<a@<?-< $T <?‘ 9<=$B8<C$==B8U.- ,:-B<=.-B.8 -$%. _*/0X 20& (89@=< ，!""*G L")X /!) Y /’’& 0 3@=$E8G ]_B98G Sg-B.F8C8 <9 8%& bB$%< U<?$C< :<a@<?-.?U $T C<9.-.%%.? Z =<:.:98?9 ;98ABF%$-$--@: 8@=<@:& J8?-<9G !""*G !*X *!!/ Y *!L"& 6 ) V%899?<=G [dG c%@?\<99 <9 8%& SB< -$CA%<9< U<?$C< :<a@<?-< $T ,:‘ -B<=.-B.8 -$%. 3 Z *!& ;-.<?-<G *))0G !00X *L/’ Y *L0L& S<99<%.?G 2G (<%:$? S <9 8%& H$CA%<9< U<?$C< :<a@<?-< $T 8 >.=@%<?9 .:$%89< $T ;9=<A9$-$--@: A?<@C$?.8<& ;-.<?-<G !""*G !)’X L)6 Y /"I& *" [.9OU<=8%E edG ;9@=E<>8?9G e]8-\.< ;] <9 8%& ,>$%@9.$?8=F U<‘ ?$C.-: $T ;98ABF%$-$--@: 8@=<@:X .?:.UB9: .?9$ 9B< $=.U.? $T C<9B.‘ -.%%.? Z =<:.:98?9 :9=8.?: 8?E 9B< 9$^.- :B$-\ :F?E=$C< <A.E<C.-& !""*G )6X 66!* Y 66!I& c=$- (89% Q-8E ;-. g;Q ， ** KE<\<=G SSB$=::$?#G d8?.:B<98%& K?9<U=89<EU<?$C.-8?EA=$9<$C.8?8%F:<: $T 8 :F:9<C89.-8%%F A<=9@=N<E C<98N$%.- ?<9W$=\& ;-.<?-<G !""*G !)!X )!) Y )’L& *! K:B..G Sh$:B.E8G 3S<=8.G D& PVSV;X 8 E898N8:< $T V8-.%%@: :@N9.%.: A=$C$9<=: 8?E 9=8?:-=.A9.$? T8-9$=:& (@-%<.- Q-.E: d<:G !""*G !)X !06 Y !6"& *’ d$?E$?G ]dd8TT<%G ;eD$$EC8? d ] <9 8%& S$W8=E T@?-9.$?8% U<‘