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生物转化温室气体生产单细胞蛋白的研究进展

化工学报 2021年第6期72卷 3202-3214页

作者：高子熹郭树奇费强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049

全球人口持续增长使得肉、蛋和乳制品等生活品的需求大幅增加,同时也对传统动物饲料的供应带来了空前的挑战。微生物能够利用二氧化碳(CO_(2))、甲烷(CH_(4))等多种原料合成高蛋白含量的单细胞蛋白(single cell protein,SCP)以用于饲料... 详细信息

全球人口持续增长使得肉、蛋和乳制品等生活品的需求大幅增加,同时也对传统动物饲料的供应带来了空前的挑战。微生物能够利用二氧化碳(CO_(2))、甲烷(CH_(4))等多种原料合成高蛋白含量的单细胞蛋白(single cell protein,SCP)以用于饲料或食品加工。生物转化CO_(2)和CH_(4)制备SCP不但可以扩展蛋白生产渠道和缓解各方面对蛋白的需求,而且也有望降低其生产成本,实现节能减排。从SCP合成及生产现状出发,探讨了好氧性甲烷菌和微藻利用温室气体的代谢路径、生物转化工艺、生物反应器设计的研究进展和未来应用前景,同时结合研究数据对生物转化温室气体制备SCP的经济可行性进行了初步评价和比较。

关键词：温室气体甲烷二氧化碳单细胞蛋白代谢调控生物反应器设计经济性分析

pH调控嗜线虫致病杆菌抑菌活性机理的初步研究

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pH调控嗜线虫致病杆菌抑菌活性机理的初步研究

作者：郭树奇西北农林科技大学

学位级别：硕士

线虫共生菌次生代谢产物具有抑菌、杀虫、抗病毒、抗癌等多种生物活性,在农业和医药领域有广泛应用价值,已成为一类具有较大开发潜力的生物资源。环境pH作为一种重要的外源信号,对共生菌的生长代谢和抑菌活性有较大的影响。但共生菌如... 详细信息

线虫共生菌次生代谢产物具有抑菌、杀虫、抗病毒、抗癌等多种生物活性,在农业和医药领域有广泛应用价值,已成为一类具有较大开发潜力的生物资源。环境pH作为一种重要的外源信号,对共生菌的生长代谢和抑菌活性有较大的影响。但共生菌如何感应环境pH的变化并作出应答,如何通过复杂的代谢调控网络调控其生长代谢与抑菌物质的产生,这方面的研究还鲜有报道。本研究以前期分离鉴定的一株具有较高抑菌活性的嗜线虫致病杆菌Xenorhabdus nematophila YL001为材料,对不同pH条件下YL001菌株的抑菌活性,主要抑菌物质生物合成相关基因转录和表达的差异以及代谢产物差异进行了研究,以期明确环境pH、CpxRA双组份信号转导途径及抑菌物质产生之间的关系,为共生菌代谢物的调控及隐藏天然产物的挖掘提供线索。初步研究结果如下:1.采用生长速率法、琼脂扩散法及活体组织法测定了初始pH4.5、pH5.5、pH6.5、pH7.0、pH7.5、pH8.5条件下YL001发酵液,乙酸乙酯提取物,甲醇提取物的抑菌活性。结果表明:随着初始pH的升高,发酵液,乙酸乙酯提取物,甲醇提取物的活性也逐渐升高。pH8.5时,发酵液对水稻瘟疫病、辣椒疫霉病、番茄灰霉病、苹果轮纹病、番茄早疫病、甘蓝黑斑病的抑制率均大于90%,对枯草芽孢杆菌的抑菌圈直径达到21.00 mm;对番茄灰霉病的治疗作用为44.81%,低于对照药剂(83.22%),保护作用为89.54%,高于对照药剂(78.69%);乙酸乙酯提取物对枯草芽孢杆菌的抑菌圈直径为14.65 mm;对番茄灰霉病的治疗作用为39.94%,低于对照药剂(56.63%),保护作用61.22%,低于对照药剂(72.86%);甲醇提取物对枯草芽孢杆菌的抑菌圈直径为16.50 mm;对番茄灰霉病治疗作用为27.55%,低于对照药剂(59.18%);保护作用为62.57%,低于对照药剂(73.17%)。2.采用RT-PCR和qRT-PCR技术对初始pH5.5、pH 6.5、pH 7.0、pH 7.5、pH 8.5发酵条件下YL001主要抑菌物质的生物合成基因以及相关主要转录调节子基因的表达进行分析。RT-PCR分析显示:随着pH的升高,主要抑菌物质生物合成基因xcnA、isnA、pax A、XNC713及抗疟原虫活性基因xabB的表达量逐渐升高,cpxR、ompR和xcnM、xcnN的表达量逐渐降低;qRT-PCR分析显示:与pH5.5条件下相比,在pH8.5条件下,xcn A、isnA、isnB、isnC、paxA、pax B、paxC、paxT、xnd、nilR、rpoB、LrhA及ackA分别上调了1.46、0.53、2.18、2.71、0.88、3.89、3.68、1.64、8.65、1.16、4.07、2.35和0.64倍;cpxR、ompR、xcn M、xcnN、lrp、rpoE、rpoS、cpxA及cpxP的表达水平分别下调了0.64、0.71、0.4、0.81、0.87、0.98、0.998、0.76和0.92倍。3.采用HPLC和LC-MS方法对不同pH培养条件下YL001菌株的代谢差异、乙酸乙酯提取物和甲醇提取物中主要抑菌活性物质的相对含量进行分析。HPLC、LC-MS分析结果显示:在不同条件下,主要抑菌物质的相对含量存在一定的差异,特别是Nematophin的含量差异明显,在pH8.5时比在pH5.5时高2.04倍。甲醇提取物LC-MS分析表明:XCN1含量在pH8.5时较pH5.5条件下提高了15.37倍。上述结果表明,随着pH升高,YL001代谢物活性升高的原因是抑菌物质生物合成基因表达量的升高、活性物质含量的提高以及活性物质种类的增加。

关键词：昆虫病原线虫共生菌抑菌活性 pH 生物合成基因代谢差异

聚焦一碳生物技术,助力山西绿色低碳发展——中国生物工程学会第十四届学术年会环境生物工程与绿色低碳发展论坛概述

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中国生物工程杂志 2021年第11期41卷 126-129页

作者：郭树奇崔红利王薇廷侯千姿李寅费强西安交通大学西安712100 山西农业大学晋中030031 中国科学院微生物研究所北京100101

1会议背景为应对全球气候变暖和石化资源过度消耗,节能减排已成为全球发展共识。我国十四五规划明确提出了"二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,争取在2060年前实现碳中和"的目标。围绕"碳达峰、碳中和"的目标,发展碳捕集技术,实现碳... 详细信息

1会议背景为应对全球气候变暖和石化资源过度消耗,节能减排已成为全球发展共识。我国十四五规划明确提出了"二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,争取在2060年前实现碳中和"的目标。围绕"碳达峰、碳中和"的目标,发展碳捕集技术,实现碳资源的循环利用,是解决环境和资源问题、推动社会可持续发展的有效手段和重要途径,已引起全球学术界和产业界的高度关注。

关键词：石化资源碳捕集技术碳中和二氧化碳排放绿色低碳发展发展共识节能减排全球气候变暖

绿针假单胞菌GP72中aurI/aurR系统调控功能

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微生物学通报 2019年第2期46卷 252-260页

作者：马润亭郭树奇王威张雪洪上海交通大学生命科学技术学院微生物代谢国家重点实验室上海200240

【背景】绿针假单胞菌(Pseudomonas chlororaphis) GP72是一株可生产吩嗪类抗生素吩嗪-1-羧酸(PCA)和2-羟基吩嗪(2-OH-PHZ)的生防根际促生菌。基因组比对发现GP72菌中存在aurI/aurR双元调控系统。【目的】研究该系统对GP72中吩嗪类物质... 详细信息

【背景】绿针假单胞菌(Pseudomonas chlororaphis) GP72是一株可生产吩嗪类抗生素吩嗪-1-羧酸(PCA)和2-羟基吩嗪(2-OH-PHZ)的生防根际促生菌。基因组比对发现GP72菌中存在aurI/aurR双元调控系统。【目的】研究该系统对GP72中吩嗪类物质的调控作用。【方法】将aurI基因在大肠杆菌中异源表达,用紫色杆菌CV026和根癌农杆菌NTL4做显色实验。构建基因敲除菌株和回补菌株,发酵测量突变株的生长曲线与总吩嗪产量。构建转录融合质粒,测定吩嗪合成基因启动子的转录水平。【结果】显色实验显示,aurI能产生多种信号分子,使CV026显紫色、NTL4显蓝色。分别单独敲除aurI和aurR基因,同时敲除aurI/aurR基因,吩嗪产量均会升高,而回补菌株吩嗪产量降为野生型水平。β-半乳糖苷酶活性测定结果显示,突变株的酶活比野生型高。【结论】aurI/aurR负调控GP72的吩嗪合成,通过抑制吩嗪合成启动子的转录而影响吩嗪类物质的产量。

关键词：绿针假单胞菌GP72 aurI/aurR双元调控系统吩嗪类化合物群体感应

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苦豆子生物碱对番茄生长及果实品质的影响

中国农业科学 2015年第9期48卷 1737-1746页

作者：熊鑫郭树奇李琳马志卿张兴西北农林科技大学无公害农药研究服务中心植保资源与病虫害治理教育部重点实验室

【目的】通过测定植物源农药苦豆子生物碱对番茄生长发育及果实品质的影响,探讨苦豆子生物碱对番茄形态及发育的调控效应,全面了解苦豆子生物碱的生物学效应,为其科学合理使用提供依据。【方法】以番茄为供试植物,阿维菌素为对照药剂,... 详细信息

【目的】通过测定植物源农药苦豆子生物碱对番茄生长发育及果实品质的影响,探讨苦豆子生物碱对番茄形态及发育的调控效应,全面了解苦豆子生物碱的生物学效应,为其科学合理使用提供依据。【方法】以番茄为供试植物,阿维菌素为对照药剂,测定苦豆子生物碱不同浓度(333.0、166.5和111.0 mg·L-1)处理对番茄植株形态、果实产量及品质指标的影响。采用盆栽试验测定苦豆子生物碱对番茄幼苗株高、茎粗、叶片总数、最大叶长和宽及叶绿素含量的影响;采用田间小区试验测定苦豆子生物碱对番茄产量、可溶性糖含量、可滴定酸含量、维生素C含量和硝酸盐含量的影响。【结果】苦豆子生物碱对番茄植株生长及果实品质具有明显的调控作用。盆栽试验结果表明,166.5 mg·L-1处理对番茄幼苗的刺激生长作用最为明显,与空白对照(清水处理)相比,每次施药后第7天,番茄的株高相对生长速率分别增加55.07%、103.03%和60.60%,茎粗净增长量分别增加31.54%、225.80%和185.45%,但叶片形态无明显变化;在333.0和166.5 mg·L-1浓度下,与空白对照相比,苦豆子生物碱处理后可使叶片叶绿素含量分别升高6.16%—13.79%和6.89%—17.12%,而111.0 mg·L-1浓度处理的番茄叶绿素含量较空白对照却下降0.60%—9.40%。田间小区产量测定结果表明,333.0、166.5和111.0 mg·L-1的苦豆子生物碱处理后,与空白对照相比,番茄第一穗果实平均单果重分别增加13.07%、20.92%和9.15%,第二穗果实平均单果重与空白对照均无显著差异,第三穗果实平均单果重分别增加12.23%、20.86%和17.27%;且166.5 mg·L-1浓度下,番茄前期产量较对照增加16.48%,而333.0和111.0 mg·L-1处理下,产量无显著增加。田间小区试验果实品质测定结果表明,在浓度为333.0和111.0 mg·L-1的苦豆子生物碱处理下,与空白对照相比,可溶性糖含量平均值明显下降,而166.5 mg·L-1处理下可溶性糖含量与对照无显著差异;在333.0、166.5和111.0 mg·L-1浓度下,可滴定酸含量平均值分别较空白对照增加37.01%、23.88%和27.16%;333.0、166.5 mg·L-1浓度的苦豆子生物碱处理后,与空白对照相比,番茄第一穗果实的维生素C含量分别下降28.06%和21.91%,第二穗分别下降27.37%和26.34%,而第三穗分别增加7.28%和7.69%,呈先降低后升高的趋势,而111.0 mg·L-1浓度下,第一、二穗果实维生素C含量较空白对照显著下降,第三穗果实维生素C含量与空白对照无显著差异;苦豆子生物碱处理后番茄果实中硝酸盐的含量与空白对照相比显著增加,且浓度越高,硝酸盐积累越多,但仍远远低于中国蔬菜硝酸盐允许量。【结论】在田间常用浓度(166.5 mg·L-1)下,苦豆子生物碱能够在番茄营养期促进生长,生殖期促进果实增产,对果实品质无不利影响,作为一类新型、安全的植物源农药,具有较好的开发应用前景。

关键词：苦豆子生物碱番茄果实品质作物产量植物源农药

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微生物固碳的电子供给策略研究进展

生物工程学报 2022年第7期38卷 2396-2409页

作者：焦子悦黄小涵郭树奇王新宇钟超费强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所材料合成生物学研究中心广东深圳518055 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049

随着生物化工技术的不断发展成熟,通过改造微生物已可以实现二氧化碳、甲烷等温室气体的固定、转化和利用,而电子传递及能量供给对微生物固碳效率起着决定性的作用。本文首先分析了好氧性嗜甲烷菌、化能自养微生物等天然微生物细胞内外... 详细信息

随着生物化工技术的不断发展成熟,通过改造微生物已可以实现二氧化碳、甲烷等温室气体的固定、转化和利用,而电子传递及能量供给对微生物固碳效率起着决定性的作用。本文首先分析了好氧性嗜甲烷菌、化能自养微生物等天然微生物细胞内外的直接、间接电子传递系统。在此基础上,围绕微生物固碳细胞工厂的构建,进一步介绍了基于光能、电能的人工电子供给策略及其对固碳过程中代谢通量、合成路径和供能效率的影响。最后针对微生物固碳的关键共性技术难点,简要展望了可行性的解决方案及相关应用前景。

关键词：微生物固碳电子传递二氧化碳甲烷

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绿针假单胞菌HT66中ompR基因的功能

微生物学通报 2018年第8期45卷 1719-1725页

作者：侯博文郭树奇彭华松张雪洪上海交通大学生命科学技术学院微生物代谢国家重点实验室上海200240

【背景】植物根部存在大量对植物生长有促进或对病原菌有拮抗作用的有益细菌,是当前农业微生物研究的热点之一。其中,绿针假单胞菌HT66是一株可高效合成吩嗪-1-甲酰胺(PCN)的环境友好型生防菌株。【目的】探究在绿针假单胞菌HT66中ompR... 详细信息

【背景】植物根部存在大量对植物生长有促进或对病原菌有拮抗作用的有益细菌,是当前农业微生物研究的热点之一。其中,绿针假单胞菌HT66是一株可高效合成吩嗪-1-甲酰胺(PCN)的环境友好型生防菌株。【目的】探究在绿针假单胞菌HT66中ompR基因的生理功能,以及其对菌株生防作用的影响。【方法】通过基因无痕敲除的方法构建HT66菌株的ompR基因缺失突变株,对比研究突变株与野生株在生长速率、渗透压感应、生物膜的合成、pH耐受性、群集运动和PCN产量的变化。【结果】与野生株相比,ompR基因缺失突变株的细胞生物量微量减少,生物膜的合成减少31.5%,群集运动以及对渗透压和pH的耐受性明显下降,但是其PCN产量较野生株提高了57.8%。【结论】在HT66菌株中,ompR基因对其运动性、环境耐受性和生理生防功能均有一定程度的调控作用。本研究丰富了绿针假单胞菌的代谢通路,此报道将对后续PCN合成机制的研究和应用提供一定的理论依据。

关键词：假单胞菌基因敲除 ompR 吩嗪-1-甲酰胺

初始pH对嗜线虫致病杆菌YL001菌株抑菌活性及代谢的影响

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西北农林科技大学学报（自然科学版） 2016年第6期44卷 132-140页

作者：郭树奇许鹏鲁梅王泽宇王永宏张兴西北农林科技大学无公害农药研究服务中心陕西杨凌712100 陕西省杨凌区高新中学陕西杨凌712100

【目的】研究初始培养pH对Xenorhabdus neamatophila YL001发酵液抑菌活性的影响,为进一步提高YL001的抑菌活性提供理论依据。【方法】采用生长速率法、琼脂扩散法、活体组织法,分别测定了初始pH 4.5,5.5,6.5,7.0,7.5和8.5培养条件下,**... 详细信息

【目的】研究初始培养pH对Xenorhabdus neamatophila YL001发酵液抑菌活性的影响,为进一步提高YL001的抑菌活性提供理论依据。【方法】采用生长速率法、琼脂扩散法、活体组织法,分别测定了初始pH 4.5,5.5,6.5,7.0,7.5和8.5培养条件下,*** YL001发酵液及其乙酸乙酯提取物的抑菌活性;同时采用HPLC、LC-MS分析了乙酸乙酯提取物中代谢物的差异。【结果】随着初始pH的升高,共生菌发酵液及其乙酸乙酯提取物的抑菌活性也逐步提高。pH8.5时,YL001发酵液对水稻瘟疫病菌(Magnaporthe grisea)、辣椒疫霉病菌(Phytophthora capsici)、番茄灰霉病菌(Botrytis cinerea)、苹果轮纹病菌(Physalospora piricola)、番茄早疫病菌(Alternaria solani)、甘蓝黑斑病菌(Alternaria brassicae)以及枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)均具有最强的抑制作用,发酵液乙酸乙酯提取物对番茄灰霉病的EC50为1.29mg/mL,对枯草芽孢杆菌的抑菌圈直径为14.65mm。随着初始培养pH的升高,YL001发酵液及乙酸乙酯提取物对番茄灰霉病的治疗和保护作用也逐渐提高,保护作用明显优于治疗作用。HPLC和LC-MS代谢分析表明,pH8.5、pH 7.0及pH 4.5培养条件下发酵液乙酸乙酯提取物中代谢物含量存在显著差异。【结论】初始培养pH可以显著影响*** YL001的抑菌活性及代谢能力,碱性条件更有利于活性物质的产生及其稳定性的保持。

关键词：嗜线虫致病杆菌初始pH 胞外产物抑菌活性

基于化学品生物合成的嗜甲烷菌人工细胞构建及应用进展

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合成生物学 2021年第6期2卷 1017-1029页

作者：郭树奇焦子悦费强西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049 陕西省能源化工过程强化重点实验室陕西西安710049

由于来源广泛且储量丰富,甲烷被认为是极具应用潜力的下一代生物碳源。嗜甲烷菌是一种分离自富含甲烷环境中的革兰氏阴性细菌,其体内含有独特的甲烷单加氧酶能够让这类微生物以甲烷为唯一碳源和能源进行生长、代谢与产物合成。作为一种... 详细信息

由于来源广泛且储量丰富,甲烷被认为是极具应用潜力的下一代生物碳源。嗜甲烷菌是一种分离自富含甲烷环境中的革兰氏阴性细菌,其体内含有独特的甲烷单加氧酶能够让这类微生物以甲烷为唯一碳源和能源进行生长、代谢与产物合成。作为一种重要的工业微生物,嗜甲烷菌在甲烷生物转化利用、温室气体减排和“碳中和”策略开发方面具有重要意义。近年来,随着嗜甲烷菌基因编辑方法、代谢路径调控、生物元件挖掘等菌种构建工具和策略的不断开发,嗜甲烷菌人工细胞可高效转化甲烷生物合成多种大宗化学品和生物燃料。本文围绕遗传改造工具、甲烷碳流调控、异源途径表达和代谢节点累积等方面的研究进展,概述了构建嗜甲烷菌人工细胞的方法和提高甲烷同化效率的策略。同时介绍了基因组学、转录组学、代谢组学等组学研究方法在调控嗜甲烷菌底盘碳代谢流向和通量中的应用。最后,结合生物转化甲烷合成酸类、萜类、醇类等化学品的研究,分析并展望了嗜甲烷菌工业化应用所面临的挑战和机遇。

关键词：甲烷嗜甲烷菌细胞工厂构建策略化学品生物合成