Bacillus velenzensis S3—1基因组中表面活性素、伊枯草菌素和丰原素合成基因簇的定位与分析

金清　张蕾　蒋秋悦　苏翠珠　肖明

摘 要： 通过GenBank数据库寻找能产生表面活性素、伊枯草菌素或丰原素并在基因组中其合成基因已得到注释的芽胞杆菌，经过BLAST比对序列初步确定这三类脂肽类抗菌肽的合成基因簇的位置，再运用antiSMASH进行其合成基因簇的最终定位.对表面活性素、伊枯草菌素和丰原素的结构及相关的合成酶结构域进行了预测与分析.

关键词： 生物信息学； Bacillus velezensis S3-1； 表面活性素； 伊枯草菌素； 丰原素

中图分类号： Q 93 文献标志码： A 文章编号： 1000-5137（2018）04-0451-07

Abstract： In this study，the GenBank database was used to search for Bacillus which could produce surfactin，iturin or fengycin and its synthetic genes were annotated in the genome.The location of the synthetic gene clusters of these three lipopeptide antibiotics were determined by BLAST alignment.Then antiSMASH was used to determine the final location of the synthetic gene clusters.Further，we predicted and analyzed the structure and related synthetase domains of the surfactin，iturin and fengycin.

Key words： bioinformatics； Bacillus velezensis S3-1； surfactin； iturin； fengycin

0 引 言

农业生产中农药的使用对病虫害的防治起到重要的作用，但长期不合理的施用会引起土壤污染、农作物产量降低等问题[1-3].Bacillus velezensis S3-1是一株在植物促生和防病方面效果较为显著的芽胞杆菌属菌株[4].B.velezensis S3-1具有广谱抑菌效果，能够产生6种表面活性素（surfactin）、3种伊枯草菌素（iturin）和4种丰原素（fengycin），这三类脂肽类化合物能抑制农作物病害.而且能够同时产生这三类重要脂肽类化合物的芽胞杆菌并不常见，这使得B.velezensis S3-1具有广阔的开发前景[5].

目前，B.velezensis S3-1 全基因组序列已公布.其中部分芽胞杆菌中表面活性素、伊枯草菌素或丰原素合成基因簇已得到注释，但B.velezensis S3-1的合成基因簇还不明确.本研究以 B.velezensis S3-1基因组数据为基础，通过基因组挖掘技术对其基因组数据进行分析，结合NCBI、antiSMASH等生物信息学工具，进行B.velezensis S3-1的表面活性素、伊枯草菌素和丰原素的合成基因簇的定位，同时将基因、基因簇、化合物结构特征、生物合成途径等功能相互联系起来，从而为B.velezensis S3-1 应用于土传病害实验、土壤改良剂的研制，及为农业生产奠定基础，同时也为进一步挖掘和利用B.velezensis S3-1的生物学信息提供借鉴.

1 材料与方法

1.1 菌株和基因组

本研究使用的菌株为B.velezensis S3-1，保存于中国典型培养物保藏中心，保藏号为CCTCC AB 2014337.该菌株全基因组序列已经测定完毕，登录号为CP016371.1.

1.2 使用的数据库及分析软件

使用的数据库：GenBank.

使用的分析软件：BLAST，Glimmer 3，HMMER 3，antiSMASH.

1.3 用于比对的菌株和基因组

经BLAST分析后用于之后进行比对的31株芽胞杆菌，其全基因组序列已经测定完毕并得到注释，菌株名称和序列登录号见表1.

2 结果与讨论

2.1 表面活性素、伊枯草菌素和丰原素的合成基因簇的探寻

通过BLAST分析软件，在GenBank数据库中找到了31株已明确表面活性素、伊枯草菌素或丰原素合成基因位置的芽胞杆菌，其全基因组序列已经测定完毕并得到注释，但各菌株基因组中具有的抗菌肽种类不同（表2）.

2.2 表面活性素、伊枯草菌素和丰原素的合成基因簇的定位

通过将上述芽胞杆菌中的表面活性素、伊枯草菌素或丰原素合成基因簇序列与B.velezensis S3-1全基因组序列进行比对分析，确定其合成基因簇的初步位置.通过antiSMASH分析，确定了B.velezensis S3-1的表面活性素、伊枯草菌素和丰原素的合成基因簇的精确定位（表3，图1）.

srfAA、srfAB、srfAC、srfAD和sfp为编码表面活性素的合成基因，srfAA、srfAB、srfAC共同构成srfA操纵子，sfp基因（长约4.5 kb）则是参与表面活性素合成的第二调控元件[6-16].ituC、ituB、ituA 和ituD为编码伊枯草菌素的合成基因，共同构成itu操纵子（长约38 kb）[17-18].fenE、fenD、fenC、fenB和 fenA为编码丰原素合成酶的基因，共同构成fen操纵子（长约37 kb）[19-22].

2.3 表面活性素、伊枯草菌素和丰原素的合成酶結构域的预测与分析

表面活性素、伊枯草菌素和豐原素是通过非核糖体肽链合成酶（non-ribosomal peptide synthetase，NRPS）合成的次级代谢产物，由胞内游离氨基酸经活化后结合到合成酶系特定的结构域，从而实现肽链的延长和环化[23-24].

图2为B.velezensis S3-1中表面活性素、伊枯草菌素和丰原素的合成酶结构域.其中 A代表腺苷酰化结构域（adenylation domain），负责识别和腺苷酰化特定的氨基酸；PCP代表肽酰载体蛋白（peptidyl carrier protein），负责运载氨基酸；C代表缩合结构域，负责肽键形成；TE代表硫酯酶结构域（thioesterase domain），负责释放多肽和肽的环化；E代表差向异构酶结构域（epimerization domain），负责将被激活的L-氨基酸转化为D-氨基酸.全酶由多个模块按特定的空间顺序排列而成，模块的数量、种类及排列次序决定了氨基酸种类、顺序和最终产物肽链的长短[25-27].

图3为表面活性素的结构，图4为伊枯草菌素和丰原素的结构.由于伊枯草菌素和丰原素基因簇距离较近（图1），故二者结构连接在一起，但二者之间的基因簇从何处进行划分则有待进一步研究.表面活性素中氨基酸顺序为：Glu-Leu-Leu-Val-Asp-Leu-Leu；伊枯草菌素中氨基酸顺序为：Glu-Orn-Tyr-Thr-Glu-Val-Pro-Glu-Tyr-Ile；丰原素中氨基酸顺序为：Asn-Tyr-Asn-Pro-Asn-Ser.

3 结 论

基于GenBank数据库，利用BLAST等软件分析了B-velezensis S3-1的表面活性素、伊枯草菌素和丰原素的结构.进一步，可以通过改变培养基、培养方式和添加诱导物等方式激活这三类脂肽相关基因的表达，从而分离获得相应的脂肽.另一方面，可以利用基因操作手段激活B-velezensis S3-1这三类脂肽相关基因的表达，从而获得化合物.最终为B-velezensis S3-1代谢工程优化及结构修饰改造奠定基础，使其能更好地应用于农业、医药、食品等领域.

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（责任编辑：顾浩然）