基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法技术

本发明专利技术属于微生物技术领域，公开了一种基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法，包括：目标菌株保守序列测定及分子鉴定；建立微生物抗重金属数据库并录入已知微生物抗重金属信息；基于保守序列的目标菌株聚类；目标菌株抗重金属性能验证。本发明专利技术基于数据库信息和保守序列将未知重金属抗性的微生物与已知重金属抗性的微生物进行聚类分析，挖掘该微生物可能的抗重金属种类，能够为微生物抗重金属种类挖掘指示方向，避免微生物抗重金属筛选的盲目性，为微生物重金属抗性开发提供参考。本发明专利技术是建立在遗传与功能的关系的基础上，实现了利用生物分子信息挖掘微生物的特定功能，能够对目标菌株对各类重金属的抗性特征进行潜在判断。

【技术实现步骤摘要】
基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法
本专利技术属于微生物
，尤其涉及一种基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法。
技术介绍
目前，微生物类型多、种类复杂、功能多样，为利用微生物解决环境问题提供了众多可能途径。以微生物的抗重金属性能为基础进行环境修复，是当前利用微生物进行环境污染修复的研究热点和重点应用领域，如何声宝等利用微生物抗重金属的性能专利技术了一种“修复重金属污染土壤的微生物菌株及其应用”(ZL201610655203.3)，能够有效够将土壤中的可交换态镉钝化，显著降低交换态镉含量，同时对镉具有极强的耐受性，具有较强的生物修复功能，能够应用于修复重金属污染土壤和制备重金属污染修复材料中。微生物对重金属的抗性往往具有特异性，即确定的微生物往往仅对特定的重金属具有吸附功能或者耐受性。因此，确定微生物的抗重金属种类成为开发利用微生物相关功能的基础与前提。当前主要是通过重金属胁迫筛选确定微生物抗重金属的种类及浓度，具有一定的盲目性和较大的工作量，严重制约了微生物相关功能的开发利用，十分有必要专利技术一种挖掘微生物抗重金属挖掘的方案。保守序列是微生物生存、进化的重要遗传基础，抗重金属功能是微生物在恶劣环境生存、适应的功能基础，微生物分子序列对其功能决定具有关键作用。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：当前主要是通过重金属胁迫筛选确定微生物抗重金属的种类及浓度，具有一定的盲目性和较大的工作量，严重制约了微生物相关功能的开发利用。解决以上问题及缺陷的难度为：微生物是地球上种类最多的生命形式，通过胁迫筛选，以了解微生物的抗重金属性能，面临工作量大，失败概率高的缺点。同时，微生物遗传结构简单，遗传变异度度高，通过遗传物质直接挖掘功能往往存在较大的不确定性。解决以上问题及缺陷的意义为：专利技术以保守序列是微生物与环境长期协同进化的结果，是关系微生物生存的关键遗传物质为基础展开，通过限定以保守序列对微生物进行聚类，利用已知信息挖掘目标微生物的未知重金属抗性特征。专利技术通过利用已知信息挖掘微生物的潜在功能，大大降低了相关实验的机会成本和实验成本，同时不断完善的已知信息还能够不断提高功能挖掘的准确率。同时重金属污染实际修复过程中，更多是复合重金属污染，传统筛选具有复合抗性微生物的过程极为复杂、繁琐，但是首先通过聚类尽可能多的了解目标微生物的抗重金属性能，能够进一步降低工作量，提高实验的目标导向。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法。本专利技术是这样实现的，一种基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法，所述基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法包括以下步骤：步骤一，目标菌株保守序列测定及分子鉴定。步骤二，建立微生物抗重金属数据库并录入已知微生物抗重金属信息。步骤三，基于保守序列的目标菌株聚类。步骤四，目标菌株抗重金属性能验证。进一步，步骤一中，所述目标菌株保守序列测定及分子鉴定的方法为：首先要确定保守序列，一方面可以通过序列比对确定保守序列区段，首先搜集与目标微生物近源的微生物序列信息，进行序列比对，序列相似度超过95％可定义为保守序列；另一方面，可以直接使用公认的保守序列，即可被用来建立微生物进化树的基因序列，主要包括细菌的16S序列，真菌的ITS序列、18S序列、线粒体基因组等。在确定保守序列后，利用测序技术测定微生物保守序列。利用该保守序列构建进化树，对该微生物进行分子鉴定。鉴定结果需要回复验证前面确定的微生物种类是否正确。进一步，步骤二中，所述微生物抗重金属数据库为广义数据库，既包括专业数据库，也包括数据表。进一步，步骤二中，所述微生物抗重金属数据库的字段包括：菌种名、抗重金属种类、抗性特征、耐受浓度、保守序列、参考文献。进一步，步骤二中，所述微生物抗重金属信息的获取方法为：查阅相关文献并进行整理归纳，收集不同菌株抗重金属的种类，按照数据库字段将相关信息输入数据库。进一步，步骤三中，所述基于保守序列的目标菌株聚类的方法为：利用目标菌株的保守序列和数据库已知菌株保守序列，选择合适的聚类方法进行聚类，确定目标菌株与哪些已知菌株被聚为一类，也可采用多种聚类方法进行聚类，记录目标菌株在多种聚类方法中与哪些已知菌株被聚为一类的概率更高。同时通过数据库获知被聚为一类的已知菌株对不同重金属的抗性特征，所述目标菌株与被聚为一类的一种菌株具有一致的重金属抗性特征。进一步，步骤四中，所述目标菌株抗重金属性能验证的方法为：以确定的重金属为目标，对目标菌株开展吸附特征实验，探索目标菌株对所确定重金属的吸附特征，验证聚类结果。也可以针对现实需求，仅验证步骤三中挖掘出的众多重金属元素中的感兴趣重金属元素，并将验证结果补充进微生物抗重金属数据库。结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：本专利技术提供的基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法，能够为微生物重金属种类挖掘指示方向，避免微生物重金属筛选的盲目性，为微生物重金属抗性开发提供参考。(1)本专利技术充分利用现有研究资料，建立微生物抗重金属数据库，基于数据库信息和保守序列将未知重金属抗性的微生物与已知重金属抗性的微生物进行聚类分析，挖掘该微生物可能的抗重金属种类，避免了当前通过重金属筛选确定微生物抗重金属种类方法的盲目性，构建了微生物抗重金属种类的可能范围框架。同时，随着微生物抗重金属研究的不断深入，建立的微生物抗重金属数据库不断完善，对微生物抗重金属种类挖掘结果会愈加准确。(2)当前，利用生物保守序列可进行生物分类研究，建立生物分子进化关系，该关系的建立是保守序列的进化本质基础之上，本专利技术是建立在遗传与功能的关系的基础上，实现了利用生物分子信息挖掘微生物的特定功能。(3)当前利用重金属浓度梯度进行微生物筛选，只能判断该菌株对该重金属是否有抗性及抗性浓度，但是不能获知该菌株对其他重金属抗性性能。本专利技术方案能够对目标菌株对各类重金属的抗性特征进行潜在判断。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例1提供的基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法流程图。图2是本专利技术实施例2提供的基于保守序列的未知微生物种类鉴定结果示意图。图3是本专利技术实施例2提供的基于保守序列的未知微生物与近源微生物聚类结果示意图。图4是本专利技术实施例2提供的微生物对重金属(锰)的吸附结果示意图。图5是本专利技术实施例3提供的基于保守序列的未知微生物种类鉴定结果示意图。图6是本专利技术实施例3提供的基于保守序列的未知微生物与近源微生物聚类结果示意图。图7是本专利技术实施例3提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法，其特征在于，所述基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法包括：/n目标菌株保守序列测定及分子鉴定；/n建立微生物抗重金属数据库并录入已知微生物抗重金属信息；/n基于保守序列的目标菌株聚类；/n目标菌株抗重金属性能验证。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法，其特征在于，所述基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法包括：
目标菌株保守序列测定及分子鉴定；
建立微生物抗重金属数据库并录入已知微生物抗重金属信息；
基于保守序列的目标菌株聚类；
目标菌株抗重金属性能验证。


2.如权利要求1所述的基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法，其特征在于，所述目标菌株保守序列测定及分子鉴定的方法为：保守序列包括通过序列比对确定的氨基酸序列或蛋白序列，也包括公认保守序列，既包括核基因序列，也包括细胞器基因序列；在确定保守序列的基础上对保守序列进行测定；依据保守序列进行物种亲缘关系鉴定，构建物种进化树。


3.如权利要求2所述的基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法，其特征在于，进一步包括：首先要确定保守序列，一方面可以通过序列比对确定保守序列区段，首先搜集与目标微生物近源的微生物序列信息，进行序列比对，序列相似度超过95％可定义为保守序列；另一方面，直接使用公认的保守序列，即可被用来建立微生物进化树的基因序列，包括细菌的16S序列，真菌的ITS序列、18S序列、线粒体基因组；在确定保守序列后，利用测序技术测定微生物保守序列；利用该保守序列构建进化树，对该微生物进行分子鉴定，鉴定结果需要回复验证前面确定的微生物种类是否正确。


4.如权利要求1所述的基于保守序列聚类分析的微生物抗重金属功能挖掘方法，其特征在于，所述微生物抗重金属数据库为广义数据库，既包括专业数据库，也包括数据表。

【专利技术属性】
技术研发人员：徐正刚，赵运林，杨桂燕，黄慧敏，李朝阳，马凯恒，王田雨，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61