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机器学习在蛋白质功能预测领域的研究进展

生物工程学报 2023年第6期39卷 2141-2157页

作者：池燕飞李春冯旭东北京理工大学化学与化工学院化学工程系生物化工研究所医药分子科学与制剂工程工业和信息化部重点实验室北京100081 清华大学化学工程系工业生物催化教育部重点实验室北京100084

蛋白质是有机生命体内不可或缺的化合物,在生命活动中发挥着多种重要作用,了解蛋白质的功能有助于医学和药物研发等领域的研究。此外,酶在绿色合成中的应用一直备受人们关注,但是由于酶的种类和功能多种多样,获取特定功能酶的成本高昂,... 详细信息

蛋白质是有机生命体内不可或缺的化合物,在生命活动中发挥着多种重要作用,了解蛋白质的功能有助于医学和药物研发等领域的研究。此外,酶在绿色合成中的应用一直备受人们关注,但是由于酶的种类和功能多种多样,获取特定功能酶的成本高昂,限制了其进一步的应用。目前,蛋白质的具体功能主要通过实验表征确定,该方法实验工作繁琐且耗时耗力,同时,随着生物信息学和测序技术的高速发展,已测序得到的蛋白质序列数量远大于功能获得注释的序列数量,高效预测蛋白质功能变得至关重要。随着计算机技术的蓬勃发展,由数据驱动的机器学习方法已成为应对这些挑战的有效解决方案。本文对蛋白质功能及其注释方法以及机器学习的发展历程和操作流程进行了概述,聚焦于机器学习在酶功能预测领域的应用,对未来人工智能辅助蛋白质功能高效研究的发展方向提出了展望。

关键词：人工智能机器学习蛋白质功能功能预测

黄土高原苜蓿-粮食作物轮作下土壤细菌群落特征和生态功能预测

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应用生态学报 2022年第4期33卷 1109-1117页

作者：王晓菲罗珠珠张仁陟牛伊宁李玲玲田建霞孙鹏洲刘家鹤甘肃农业大学资源与环境学院兰州730070 甘肃省干旱生境作物学重点实验室兰州730070

为揭示多年种植苜蓿后轮作不同作物对黄绵土细菌群落的影响,本研究通过布设在黄土高原雨养农业区的长期定位试验,采用16S rRNA基因高通量测序技术和PICRUSt方法探究苜蓿(LC)、苜蓿-休闲-小麦(L_(F)W)、苜蓿-休闲-玉米(L_(F)C)、苜蓿-马... 详细信息

为揭示多年种植苜蓿后轮作不同作物对黄绵土细菌群落的影响,本研究通过布设在黄土高原雨养农业区的长期定位试验,采用16S rRNA基因高通量测序技术和PICRUSt方法探究苜蓿(LC)、苜蓿-休闲-小麦(L_(F)W)、苜蓿-休闲-玉米(L_(F)C)、苜蓿-马铃薯(LP)与苜蓿-谷子(LM)对土壤细菌群落结构和多样性的影响,并利用PICRUSt法预测了其生态功能。结果表明:半干旱区黄绵土细菌优势门为放线菌门(20.3%~32.0%)、变形菌门(19.2%~23.0%)、酸杆菌门(12.4%~14.2%)和绿弯菌门(11.0%~12.7%),其中苜蓿翻耕轮作玉米土壤优势细菌属为芽孢杆菌属(1.9%),其余处理土壤细菌优势属均为假节杆菌属(2.5%)。多年生苜蓿翻耕轮作不同粮食作物后显著降低了放线菌门相对丰度,但显著提高了绿弯菌门和厚壁菌门的相对丰度。冗余分析表明,影响苜蓿及轮作作物土壤细菌群落结构的主要环境因子是硝态氮、铵态氮和全氮。PICRUSt功能预测结果表明,新陈代谢(78.6%~79.1%)为黄绵土细菌群落的主要功能,苜蓿翻耕轮作作物显著降低了土壤细菌碳水化合物代谢功能基因丰度,但明显提高了土壤细菌辅助因子和维生素代谢、神经退行性疾病、免疫系统等功能基因丰度。综上,多年生苜蓿翻耕轮作一年生作物改变了土壤细菌群落结构和生态功能,该结果可为黄绵土细菌群落演替特征的探索和苜蓿适宜后茬作物的确定提供理论参考。

关键词：紫花苜蓿轮作高通量测序群落结构功能预测

F-53B胁迫下污水厌氧处理系统及微生物群落的响应

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中国环境科学 2024年第2期44卷 721-729页

作者：郭雨婷刘亚军邓觅涂勋吴虎彬李昆李荣富吴永明南昌大学资源与环境学院鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室江西南昌330031 江西省科学院微生物研究所江西南昌330096

通过构建厌氧反应体系,评估低浓度(1mg/L)和高浓度(10mg/L)氯化多氟醚磺酸盐(F-53B)胁迫下,厌氧处理系统出水水质、污泥性状和细菌群落的响应特征.结果表明,在F-53B的胁迫下,COD、氮(TN、NH_(4)^(+)-N)和磷(TP、PO_(4)^(3-)-P)在出水中... 详细信息

通过构建厌氧反应体系,评估低浓度(1mg/L)和高浓度(10mg/L)氯化多氟醚磺酸盐(F-53B)胁迫下,厌氧处理系统出水水质、污泥性状和细菌群落的响应特征.结果表明,在F-53B的胁迫下,COD、氮(TN、NH_(4)^(+)-N)和磷(TP、PO_(4)^(3-)-P)在出水中的含量会升高,而污泥相对生物量(MLVSS/MLSS)则出现下降,且F-53B的浓度越高影响越大.高通量测序分析发现,相较于对照组(0mg/L F-53B),仅高浓度F-53B胁迫下细菌群落的多样性(ACE、Chao1和PD指数)出现了显著下降.同时,研究还发现,随着高浓度F-53B暴露时间的延长,厚壁菌门的相对丰度逐渐增大,而变形菌门、拟杆菌门和硝化螺旋菌门的相对丰度逐渐降低.此外,基于FAPROTAX功能预测分析发现,F-53B胁迫下微生物表现出更低的氮(N)代谢潜力和更高的化能异养和发酵能力.冗余分析(RDA)表明,厚壁菌门主要受F-53B的正向影响,并与TN和NH_(4)^(+)-N呈正相关;而变形菌门受F-53B的负向影响,并与COD、TP和PO_(4)^(3-)-P呈正相关.揭示了新型氟化物—F-53B对污水厌氧处理系统的胁迫机制.

关键词：氯化多氟醚磺酸盐(F-53B) 污水厌氧处理微生物群落功能预测

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基于关系图的三维功能场景预测和生成

计算机辅助设计与图形学学报 2022年第9期34卷 1351-1361页

作者：孙乾胡瑞珍深圳大学可视计算研究中心深圳518061

三维形状的功能性分析作为理解和操纵三维环境的手段对人工智能起着重要的作用,人类在没有任何环境的情况下,可以凭借知识和经验预测出对象的功能.为此,提出一种使用关系图指导给定对象生成三维功能场景的方法,包括关系图生成和场景生成... 详细信息

三维形状的功能性分析作为理解和操纵三维环境的手段对人工智能起着重要的作用,人类在没有任何环境的情况下,可以凭借知识和经验预测出对象的功能.为此,提出一种使用关系图指导给定对象生成三维功能场景的方法,包括关系图生成和场景生成2个步骤.在关系图生成阶段,采用深度卷积生成网络预测给定对象的关系图,将中心和交互对象编码为节点,对象之间的空间关系编码为边;在场景生成阶段,将生成的图和给定的中心对象作为输入,并输出交互对象的形状和位置.该方法在用于场景生成的交互场景数据集上进行测试,并与PG-DNN和PQ-NET方法比较,采用倒角距离和光场距离作为评价指标.实验结果表明,所提方法生成的功能场景优于现有方法,还可以使用对象的隐式表达生成高分辨率的功能场景.

关键词：形状分析深度学习功能预测关系图场景生成

酸性红壤有机碳组成与微生物种群特征的相关性研究

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环境科学学报 2024年第1期44卷 377-388页

作者：龙超刘仁绿尹丽宋勇生贺根和刘祖文江西理工大学土木与测绘工程学院赣州341000 井冈山大学生命科学学院吉安343009 南昌工程学院水利与生态工程学院南昌330099

微生物在土壤碳周转中起关键驱动作用,南方红壤区土壤由于酸化严重,导致土壤微生物丰度较低,且碳汇不足.在土壤酸化背景下不同组分有机碳与微生物多样性之间的关联及影响机制尚不清楚,极大限制了红壤碳汇潜力的研究.本文通过对4种不同... 详细信息

微生物在土壤碳周转中起关键驱动作用,南方红壤区土壤由于酸化严重,导致土壤微生物丰度较低,且碳汇不足.在土壤酸化背景下不同组分有机碳与微生物多样性之间的关联及影响机制尚不清楚,极大限制了红壤碳汇潜力的研究.本文通过对4种不同覆盖植被(杉木林、针阔混交林、竹林和茶油林)土壤碳组分含量和微生物多样性特征进行分析,结果表明:杉木林(21.9 g·kg^(-1))和针阔混交林(20.57 g·kg^(-1))土壤总有机碳(SOC)含量均高于竹林(9.95 g·kg^(-1))和茶油林(12.6 g·kg^(-1)),溶解性有机碳(DOC)与微生物量碳(MBC)含量与SOC呈相同分布趋势,然而易氧化有机碳(ROC)、总氮(TN)和总磷(TP)在不同植被间无显著差异.4种土壤中变形菌(Proteobacteria)、放线菌(Actinobacteriota)、酸杆菌(Acidobacteriota)、绿弯菌(Chloroflexi)和疣微菌(Verrucomicrobiota)在细菌种群中占据优势生态位,优势细菌群落分布在不同土壤中无显著差异;土壤中分布较多的真菌为子囊菌(Ascomycota)、担子菌(Basidiomycota)和被孢霉菌(Mortierellomycota),Basidiomycota在竹林和针阔混交林土壤中占优势,而Ascomycot是茶油林和杉木林土壤中相对丰度最高的真菌群落.Spearman相关性分析表明,Actinobacteriota、Chloroflexi和Verrucomicrobiota种群丰度与活性有机碳(AOC)呈显著相关性(pDOC>AOC>SOC;真菌为SOC>SMC>MBC>BROC,在红壤中真菌较细菌有更强的耐酸能力.FAPROTAX和FUNGuild预测表明,主要的功能菌群丰度在各分组间均有显著差异,纤维素分解、尿素分解、芳香族化合物降解、固氮和硝酸盐还原是主要的碳氮转化功能群,腐生营养型真菌丰度占比最高(21.53%~80.57%),各分组间功能菌群的差异解释了微生物种群分布驱动的红壤碳氮组分异质性.研究结果强调了酸性红壤微生物在土壤有机碳转化中的重要作用,对进一步研究土壤微生物碳汇,助力双碳目标的实现具有重要参考价值.

关键词：酸性红壤土壤有机碳高通量测序微生物多样性冗余分析功能预测

肝肠胞虫对凡纳滨对虾肠道和肝胰腺菌群的影响

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水生生物学报 2024年第2期48卷 315-323页

作者：李舢舢赵晨曦吴波郑侠飞戴文芳林志华柳敏海浙江万里学院宁海海洋生物种业研究院浙江省水产种质资源高效利用技术研究重点实验室宁波315000

利用16S rRNA高通量测序对比研究了健康对虾和感染肝肠胞虫的发病对虾肠道及肝胰腺菌群的组成、多样性、微生物介导的功能和种间互作间的差异性。结果表明,健康对虾的肠道和肝胰腺细菌群落的多样性高于发病对虾。在属水平上,健康对虾和... 详细信息

利用16S rRNA高通量测序对比研究了健康对虾和感染肝肠胞虫的发病对虾肠道及肝胰腺菌群的组成、多样性、微生物介导的功能和种间互作间的差异性。结果表明,健康对虾的肠道和肝胰腺细菌群落的多样性高于发病对虾。在属水平上,健康对虾和发病对虾的肠道及肝胰腺中的优势细菌组成及丰度存在明显不同,其中健康对虾肠道中的优势菌属主要为埃希杆菌-志贺菌属(Escherichia-Shigella)和海绵菌属(Spongiimonas),而发病对虾肠道中的优势菌属则为希瓦式菌属(Shewanella)、巨球型菌属(Megasphaera)和克雷伯氏菌属(Klebsiella);健康对虾肝胰腺中的优势菌属主要为假单胞菌属(Pseudomonas)和汉氏盐单胞菌(Halomonas),而发病对虾肝胰腺中的优势菌属则为贪铜菌属(Cupriavidus)。Tax4Fun2预测显示,健康对虾肠道和肝胰腺菌群的主要功能分别与发病对虾肠道和肝胰腺菌群的主要功能有明显差异。研究有助于了解肝肠胞虫对凡纳滨对虾肠道及肝胰腺细菌群落的影响,并为凡纳滨对虾的健康管理和养殖提供依据。

关键词：肠道菌群 16S rRNA测序功能预测凡纳滨对虾

噪声暴露对大鼠肠道菌群结构的影响及功能预测

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环境与职业医学 2022年第2期39卷 179-185页

作者：崔亚男佘晓俊李宁宁张秀芝崔博余善法郑州大学公共卫生学院劳动卫生与职业病学教研室河南郑州450001 军事科学院军事医学研究院环境医学与作业医学研究所天津300041 河南医学高等专科学校科研外事处河南郑州451191 河南医学高等专科学校病理学教研室河南郑州451191

[背景]噪声对机体产生多种负面影响,肠道菌群受环境影响并与疾病的发生密切相关。目前关于长期噪声暴露对肠道菌群的影响知之甚少。[目的]研究旨在探究噪声暴露对大鼠肠道菌群结构的影响,并进行菌群功能预测。[方法]雄性Wistar大鼠(6周... 详细信息

[背景]噪声对机体产生多种负面影响,肠道菌群受环境影响并与疾病的发生密切相关。目前关于长期噪声暴露对肠道菌群的影响知之甚少。[目的]研究旨在探究噪声暴露对大鼠肠道菌群结构的影响,并进行菌群功能预测。[方法]雄性Wistar大鼠(6周龄,160~180 g)被随机分为对照、95 dB噪声暴露(NE_95dB)组和105 dB噪声暴露(NE_105dB)组,每组10只。NE_95dB和NE_105dB组大鼠分别暴露于95 dB声压级(SPL)及105 dB SPL的噪声中,每天4 h,连续30 d,对照组则暴露于背景噪声下。在末次噪声暴露结束后采集大鼠粪便用于肠道菌群的检测。基于16S核蛋白体RNA(rRNA)基因测序法对大鼠粪便中的菌群α、β多样性及结构进行分析比较,并应用隐性状态重建群落系统进化研究(PICRUSt)对肠道菌群基因进行功能预测。[结果]噪声暴露后大鼠肠道菌群结构与对照组比较存在差异。α多样性结果中,NE_95dB组与NE_105dB组比较的Chao1指数差异有统计学意义(P=0.02),而噪声暴露组的Shannon和Simpson指数相对于对照组差异均无统计学意义(P>0.05)。β多样性分析显示对照组与噪声暴露组样本之间的物种丰度差异较大(P=0.001)。进一步的物种分析表明,与对照组比较,在属水平的瘤胃菌属NK4A214群(P功能预测分析显示:对照组与NE_95dB组比较的差异通路共8个,其中D-精氨酸和D-鸟氨酸代谢、抗坏血酸和醛糖酸盐代谢、类胡萝卜素生物合成、甘油磷脂新陈代谢、矿物质吸收、核苷酸结合寡聚化结构域样受体信号通路和非同源性末端结合下调,核苷酸代谢上调;对照组与NE_105dB组比较的差异通路共38个;D-精氨酸和D-鸟氨酸代谢、矿物质吸收通路是两噪声暴露组共同存在的差异代谢通路,且相对于对照组都呈下调趋势。[结论]长期噪声暴露改变了大鼠肠道菌群结构,并可能影响多种菌群基因代谢功能。

关键词：噪声 16S核蛋白体RNA基因肠道菌群功能预测

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4种马尾藻附生菌群结构比较研究

水生生物学报 2024年第4期48卷 643-652页

作者：郭战胜陈雯静常丽荣梁振林施坤涛山东大学海洋学院威海264200 威海长青海洋科技股份有限公司荣成264300 威海市环翠区海洋发展研究中心威海264200

海黍子(Sargassum muticum,SM)、鼠尾藻(Sargassum thunbergii,ST)、铜藻(Sargassum horneri,SH)和海蒿子(Sargassum pallidum,SP)是我国黄渤海常见的大型马尾藻属海藻,研究以靖子湾潮间带4种马尾藻为研究对象,自然海水(W)作为对照,利用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术比较4种马尾藻类附生菌群的结构。研究结果表明,ST附生菌群多样性和物种丰富度最高,SH最低。NMDS(无度量多维标定法)和PERMANOVA分析表明4种马尾藻附生菌的群落结构与海水中微生物群落结构存在显著性差异(P功能进行预测,在一级功能水平上,新陈代谢(Metabolism)、遗传信息处理(Genetic Information Processing)为主要功能;在二级功能水平上,共注释到44个二级代谢通路,其中碳水化合物代谢(Carbohydrate metabolism)相对丰度最高。研究通过比较4种马尾藻附生菌群结构多样性,为进一步深入了解马尾藻属的生态作用提供理论依据。

关键词：附生菌群高通量测序多样性功能预测马尾藻

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合成菌群对大豆根际和根内微生物群落的影响

中国生态农业学报（中英文） 2024年第4期32卷 571-581页

作者：周佳新刘悦徐伟慧王志刚陈文晶胡云龙齐齐哈尔大学生命科学与农林学院/黑龙江省农业微生物制剂产业化技术创新中心/黑龙江省农用生物制剂产业化协同创新中心齐齐哈尔161006

为了探究施用合成菌群对大豆生长和根际及根内微生物的影响,利用大豆根际促生菌,通过功能互补和功效叠加原则构建4组合成菌群(SynComs)。根据盆栽试验的促生效果选出最优菌群并取其根际土和根系分别进行宏基因组测序和16S rRNA基因测序... 详细信息

为了探究施用合成菌群对大豆生长和根际及根内微生物的影响,利用大豆根际促生菌,通过功能互补和功效叠加原则构建4组合成菌群(SynComs)。根据盆栽试验的促生效果选出最优菌群并取其根际土和根系分别进行宏基因组测序和16S rRNA基因测序,探究合成菌群对大豆根际土壤和根内微生物群落和功能的影响。盆栽试验表明,合成菌群SynCom 4可显著增加大豆株高、地上鲜重、根长、根鲜重和根瘤数。SynCom 4由克雷伯氏菌JP07(Klebsiella JP07)、克雷伯氏菌GD04、假单胞菌LH19(Pseudomonas LH19)、不动杆菌JP32(Acinetobacter JP32)、克雷伯氏菌PKO08、芽孢杆菌JK32(Bacillus JK32)、寡养单胞菌GD03(Stenotrophomonas GD03)和克雷伯氏菌LH13组成。宏基因组测序结果表明,接种SynCom 4提高了细菌微酸菌纲(unclassified_Acidimicrobiia)、藤黄色单胞菌属(Luteimonas)、绿屈挠菌纲(unclassified_c_Chloroflexia)、热厌氧杆状菌目(unclassified_o_Thermoanaerobacteroles)等的相对丰度,增加了参与氮代谢、磷转化、吲哚乙酸和赤霉素生物合成等功能基因的相对丰度。16S rRNA基因测序结果表明,SynCom 4增加了大豆根内细菌群落多样性,提高了黄单胞菌科(unclassified_f_Xanthomonadaceace)、食氢产水菌属(Hydrogenophaga)、根瘤菌目(unclassified_o_Rhizobiales)、黄杆菌科(norank_f_Xanthobacteraceae)等的相对丰度。PICRUSt2功能预测表明,SynCom 4增强了与氨基酸、维生素、脂质和次级代谢产物合成有关的功能。综上,宏基因组测序和16S rRNA基因测序结果表明,SynCom 4显著改变了根际和根内微生物群落的结构和组成,提高了微生物的多样性,增加了菌属和功能基因的相对丰度。施用SynCom 4有效促进了大豆生长,改变了根际和根内的细菌微生物群落结构和功能。

关键词：大豆根际促生菌合成菌群盆栽试验功能预测宏基因组

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