菌株比较基因组分析

菌株比较基因组分析是通过对不同菌株的全基因组进行测序和比较，揭示菌株之间的遗传差异、进化关系及功能特性关联的一种生物技术手段。微基生物依托先进测序技术与生物信息学分析方法，推出菌株比较基因组检测分析服务，提供样本处理、高通量测序、到深度数据分析的全流程一站式解决方案。

服务流程 

微基生物提供比较基因组分析：基因组序列比对、系统发育树构建、泛基因组分析、结构变异分析、功能基因（如抗生素抗性基因、代谢相关基因）检测等，全方位解析菌株遗传特征。

适用场景

1.新菌株鉴定：未知菌株与已知菌株基因组比对，快速确定新菌株分类地位和独特遗传特征，为新菌株的资源保护、开发利用（如新型益生菌、工业菌株筛选）提供核心依据。

2.菌株进化研究：无论是探究同一物种不同生态型菌株的进化路径，还是研究菌株在不同环境压力下的适应性进化，通过系统发育分析、遗传变异解析等手段，清晰还原菌株进化历史，揭示遗传变异与环境适应的关联机制，为微生物进化生物学研究提供有力支撑。

3.功能基因挖掘：可定向挖掘与抗生素抗性、特殊代谢产物（如有机酸、酶制剂）、污染物降解等相关的功能基因，为后续研究奠定基础。

 

结果可视化化图表展示

一、不同生态位植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）比较基因组分析

1.研究背景

植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）广泛存在于植物、乳制品、肉制品和胃肠道等环境中，具有益生功效。该研究旨在通过比较基因组分析，揭示不同生态位来源的植物乳杆菌的基因组特征差异，探索其生态适应性机制。

2.样本来源

分离菌株：采集324份样品（126份泡菜、32份发酵酱、166份人类粪便），分离获得114株植物乳杆菌，结合NCBI数据库19株参考菌株，共133株进行比较分析。

参考菌株：从NCBI数据库选取19株全基因组完整的植物乳杆菌参考菌株，来源涵盖酸菜、婴儿粪便、酿造环境、唾液、乳制品等，总计133株菌株进行分析。

3.分析内容

全基因组测序、基因组组装与注释、比较基因组分析、基因型与表型关联分析，重点探究核心基因与独特基因分布、系统发育关系、碳水化合物活性酶（CAZy）家族差异等。

4.关键结果与可视化展示

（1）基因分布特征

133株植物乳杆菌基因组大小为2.94-3.90Mb，基因数量2767-3650个，GC含量44.08%-46.55%。其中，粪便源菌株的基因组大小与基因数量变异范围更宽，提示其遗传多样性更高；参考菌株GC含量（44.08%-44.90%）整体低于分离菌株，可能与长期实验室培养驯化相关。

（2）核心基因与独特基因分布

从133株菌株中鉴定出1620个核心基因，这些基因是植物乳杆菌维持基本生命活动（如DNA复制、能量代谢、氨基酸合成）的关键，且核心基因数量高于其他乳酸菌（如乳球菌），解释了其对不同生态位的强适应性。同时，不同分离源菌株拥有丰富的独特基因：粪便源菌株平均独特基因数量最多，发酵酱源菌株最少，这些独特基因与菌株适应特定生态位（如肠道碳水化合物代谢、食品基质降解）密切相关。

133 株植物乳杆菌核心基因与独特基因分布

（3）系统发育关系

基于1620个核心基因序列构建的系统发育树显示：133株菌株分为A、B两大簇，A簇仅含6株菌株（粪便源与泡菜源混合），因菌株数量少未呈现明显生态位聚类；B簇含127株菌株，进一步分为B-1至B-6亚簇，其中泡菜源与发酵酱源菌株聚类明显（如8株发酵酱源菌株集中在B-1亚簇，8株泡菜源菌株集中在B-6亚簇）；粪便源菌株在B簇各亚簇中均有分布，无特定聚类模式，推测人类肠道中的植物乳杆菌可能来源于多样化的食物（如泡菜、发酵酱），经饮食摄入后适应肠道环境；参考菌株根据其来源分散在不同分支，如乳制品源参考菌株与食品源分离菌株聚类，婴儿粪便源参考菌株与成人粪便源分离菌株聚类，进一步验证生态位对菌株进化的影响。

基于 1620 个核心基因的植物乳杆菌系统发育树

（4）平均核苷酸一致性（ANI）分析

ANI是判断菌株是否为同一物种的核心指标（通常阈值96%），研究中泡菜源菌株间ANI值普遍＞99%（如重庆泡菜源8株菌株ANI值99.23%），发酵酱源菌株间 ANI值＞99%（如黑龙江发酵酱源菌株），表明同一食品来源菌株遗传相似度极高；泡菜源与发酵酱源菌株间ANI值98.85%-99.02%，低于同来源菌株但高于种水平阈值，提示两者虽为同一物种，但因长期适应不同食品基质（植物纤维vs蛋白质）产生遗传分化；A簇6株菌株与B簇127株菌株间最大ANI值仅95.23%，接近但低于96%阈值，推测A簇菌株可能为植物乳杆菌属内的独立亚种，需进一步实验验证。

133株植物乳杆菌ANI热图

（5）碳水化合物活性酶（CAZy）与碳水化合物利用关联

对114株分离菌株的碳水化合物活性酶（CAZy）进行预测，发现不同分离源菌株的CAZy家族分布存在明显差异（“F”粪便、“V”泡菜、“D”发酵酱）。例如，粪便来源菌株可能含有更多适应肠道碳水化合物代谢的CAZy酶，发酵食品来源菌株可能富集与食品基质降解相关的酶类，为植物乳杆菌的功能应用场景选择提供了直接依据。

不同来源植物乳杆菌CAZy家族基因数量统计

114 株植物乳杆菌碳水化合物利用热图

二、南极企鹅粪便来源琼脂降解菌（Flavobacterium faecale WV33ᵀ）比较基因组分析

1.研究背景

琼脂糖降解菌在食品工业、生物医药、环境治理等领域具有重要的应用价值，其产生的琼脂酶可用于琼脂糖的降解与转化。Agarolytic Flavobacterium faecale WV33T是一株具有琼脂糖降解功能的菌株，对其进行比较基因组分析，有助于深入了解其耐药性及琼脂糖降解机制，为该菌株的开发利用提供科学依据。

2.样本来源

目标菌株：F.faecale WV33ᵀ，分离自南极企鹅粪便，严格好氧、非运动性杆状菌，最适生长温度16℃，产橙色色素（玉米黄质）；

参考菌株：NCBI数据库选取26株黄杆菌属（Flavobacterium）模式菌株，来源涵盖淡水、海水、土壤、鱼体等，总计27株菌株进行比较分析。

3.核心分析内容

全基因组测序与组装、基因组注释、系统发育与ANI分析、功能基因验证。

4.关键结果与可视化展示：

（1）基因组基本特征

F.faecale WV33ᵀ基因组为单一环状染色体，大小4,621,116 bp，GC含量35.2%，含3984个编码DNA序列（CDS）、18个rRNA 基因（5S/16S/23S）及67个tRNA基因，基因密度885个/Mb。COG 功能分类显示，“碳水化合物运输与代谢”（183个CDS，7.1%）、“氨基酸运输与代谢”（170个 CDS，6.6%）、“细胞壁/膜/包膜生物发生”（260个CDS，10.1%）相关基因占比高，与菌株降解多糖、适应南极极端低温环境的功能需求相契合。

F. faecale WV33ᵀ基因组环状图

（2）菌株分类与亲缘关系

ANI分析显示，F. faecale WV33ᵀ与26株黄杆菌属模式菌株的ANI值为 0.66-0.91（ANIblastall 算法），均低于96%的种水平阈值，明确其为黄杆菌属中的独立新物种；系统发育树进一步表明，WV33ᵀ与南极企鹅粪便来源的Flavobacterium kingsejongi亲缘关系最近（分支距离最短），推测两者在极端低温环境（南极）中共同进化，形成相似的遗传适应特征（如低温适应基因）。

27 株黄杆菌属菌株 ANI 热图（ANIblastall 算法）

基于 90 个单拷贝基因的黄杆菌属系统发育树

（3）耐药性基因分析

通过基因组注释与ResFinder数据库比对，未发现F.faecale WV33ᵀ携带常见高风险耐药基因（如β-内酰胺类、氨基糖苷类、四环素类耐药基因），仅含1个低风险多重耐药外排泵基因（emrB），且该基因在黄杆菌属中普遍存在，无特殊耐药性。这一结果表明，WV33ᵀ在食品、生物医药领域应用时，不存在耐药基因水平转移的安全隐患，具备良好的应用安全性。

（4）琼脂糖降解机制解析

在WV33ᵀ基因组中鉴定出7个putative琼脂酶基因（agar.3、agar.162、agar.2965、agar.3018、agar.3061、agar.3068、agar.3154），均含完整开放阅读框与GH16家族功能结构域（琼脂酶核心结构域）。RT-qPCR分析显示，在以琼脂为唯一碳源的培养基中5个琼脂酶基因（agar.3、agar.2965、agar.3018、agar.3061、agar.3068）的表达量显著上调，其中agar.3061表达量最高（是葡萄糖组的14倍）；基因敲除实验进一步证实，agar.3018与 agar.3061敲除后，菌株琼脂糖降解活性下降70%-80%，而互补菌株可恢复活性，表明这两个基因为 WV33ᵀ琼脂糖降解的关键基因，为后续基因工程改造（如提高琼脂酶产量）提供明确靶点。

  

F.faecale WV33ᵀ琼脂酶基因表达与功能验证

27株黄杆菌属菌株泛基因组与核心基因组分析