奶牛瘤胃未培养尿素分解菌群的磁性纳米分离及元基因组解析

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31501981
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    22.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C1705.动物营养学
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Urea is an important non-protein nitrogen source in the diet of ruminants. Nevertheless, urea is rapidly hydrolyzed by ureolytic bacteria to ammonia in the rumen of dairy cows, and such rapid ureolysis decreased urea nitrogen utilization efficiency and excessive nitrogen excretion to the environment. In our previous studies, it was revealed that the ureolytic bacteria in the rumen are of high diversity but 99% of them are yet uncultured based on pyrosequencing analysis. However, there is still lack of physiological tool to study the taxonomy and functions of those uncultured ureolytic bacteria, and to further discuss mechanisms and regulations of urea degrading. To isolate living community of the uncultured ureolytic bacteria and obtain its metagenome, this project will develop an integral analysis system combining magnetic nanoparticle mediated isolation and pyrosequencing. Through magnetic nanoparticles stability test in the rumen fluid, the magnetic nanoparticle mediated isolation will be optimized and first-time applied for uncultured ureolytic bacterial community isolation in the rumen. From the physiological evaluation of ureolytic activities of uncultured ureolytic bacteria and original rumen microbial community, this work will uncover the ecological functions of targeting bacteria in the rumen. Via taxonomy analysis of uncultured ureolytic bacterial community by pyrosequencing, the metagenome will be constructed to identify and link the functional ureolytic genes to in situ urea degrading performance. From these cutting-edge techniques, this project can reveal the structure and functions of real ureolytic bacteria community and contribute to deeper understanding on the mechanism and regulation of urea degradation in the rumen.
尿素是反刍动物重要的非蛋白氮饲料,而尿素在瘤胃中的过快分解易导致尿素利用率降低和氮素过度排放。前期研究发现,瘤胃尿素分解菌群多样性高且99%以上属于未培养细菌。而现有技术无法有效揭示尿素分解菌群的种类和原位功能,限制了对尿素分解机理和调控机制的认知。本项目针对瘤胃未培养尿素分解菌群难以分离以及功能基因认识缺乏的科学问题,提出利用磁性纳米分离和元基因组测序技术研究未培养尿素分解菌群构成和功能的科学假设。研究磁性纳米材料在瘤胃液中的稳定性,建立适合瘤胃液环境的高效磁性纳米分离技术,实现对未培养尿素分解菌群捕获和分离;研究分离的未培养尿素分解菌群功能,评价其原位生态结构与功能特征;利用高通量测序技术研究未培养尿素分解菌群构成和系统发育,解析元基因组信息,寻找与尿素代谢相关功能基因。预期将获得瘤胃未培养尿素分解菌群并阐明其构成和功能,为进一步揭示尿素分解菌群的尿素分解和调控机理提供理论依据。

结项摘要

尿素是反刍动物重要的非蛋白氮饲料,而尿素在瘤胃中的过快分解易导致尿素利用率降低和氮素过度排放。瘤胃尿素分解菌群多样性高且大部分属于未培养细菌,而现有技术无法有效揭示尿素分解菌群的种类和原位功能,限制了对尿素分解机理和调控机制的认知。本项目针对瘤胃未培养尿素分解菌群难以富集以及功能基因认识缺乏的科学问题,提出利用磁性纳米和元基因组测序技术研究未培养尿素分解菌群构成和功能的科学假设。通过本项目三年研究,建立了四氧化三铁磁性纳米颗粒制备方法,成功包被聚烯丙胺材料,可实现对瘤胃细菌捕获。通过对脲酶基因高通量测序和分析,发现瘤胃尿素分解菌主要来源于Methylococcaceae等。利用磁性纳米颗粒,48 h后能有效富集瘤胃尿素分解菌群。通过宏基因组测序,分析发现了优势尿素分解菌基因组及其脲酶基因簇。脲酶基因簇由3个结构基因和4个辅助基因组成,通过电镜观察发现,结构基因编码的蛋白复合物为Ure(ABC)3聚合形式,分析发现辅助蛋白对镍离子结合和传递发挥作用,有助于脲酶活性的激活。通过代谢组学分析,发现瘤胃尿素分解菌代谢尿素氮的主要去向是氨基酸合成通路。脲酶抑制剂乙酰氧肟酸抑制尿素分解,引起短期内瘤胃细菌多样性水平的升高,同时利用分子对接技术筛选获得2个高效脲酶抑制剂化合物,抑制率在40%以上。因此,本项目揭示的瘤胃未培养尿素分解菌群结构、功能和抑制机理,为进一步研究尿素分解菌群的尿素分解和调控机理提供了理论依据和技术支撑。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Urea Nitrogen Induces Changes in Rumen Microbial and Host Metabolic Profiles in Dairy Cows
尿素氮引起奶牛瘤胃微生物和宿主代谢特征的变化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Livestock Science
  • 影响因子:
    1.8
  • 作者:
    Jin Di;Zhao Shengguo;Zheng Nan;Bu Dengpan;Beckers Yves;Wang Jiaqi
  • 通讯作者:
    Wang Jiaqi
Differences in Ureolytic Bacterial Composition between the Rumen Digesta and Rumen Wall Based on ureC Gene Classification
基于ureC基因分类的瘤胃消化液和瘤胃壁尿素分解细菌组成差异
  • DOI:
    10.3389/fmicb.2017.00385
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Frontiers in Microbiology
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Jin D;Zhao S;Zheng N;Bu D;Beckers Y;Denman SE;McSweeney CS;Wang J
  • 通讯作者:
    Wang J
细菌脲酶蛋白复合物及其活化机制
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    生物工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李晓姣;赵圣国;郑楠;程建波;王加启
  • 通讯作者:
    王加启
Influence of hydrolysis rate of urea on ruminal bacterial diversity level and cellulolytic bacteria abundance in vitro
尿素水解速率对体外瘤胃细菌多样性水平和纤维素分解菌丰度的影响
  • DOI:
    10.1111/ejss.12931
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    PeerJ
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Wang Pengpeng;Zhao Shengguo;Nan Xuemei;Jin Di;Wang Jiaqi
  • 通讯作者:
    Wang Jiaqi
2016年动物胃肠道微生物组研究十大亮点成果
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    微生物学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    赵圣国;郑楠;王加启
  • 通讯作者:
    王加启

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其他文献

Association of production factors with milk IgA and IgM concentrations in normal lactating cows
正常泌乳牛生产因素与乳汁 IgA 和 IgM 浓度的关系
  • DOI:
    10.1017/s0022029910000336
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Journal of Dairy Research
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    张春刚;赵圣国;王加启
  • 通讯作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    王加启
小鼠免疫刺激后乳腺pIgR mRNA转录及乳特异性IgA含量的变化
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    华北农学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王加启;赵圣国
  • 通讯作者:
    赵圣国
饲喂纳豆枯草芽胞杆菌对荷斯坦犊牛瘤胃细菌区系的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    农业生物技术学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    卜登攀;于萍;赵圣国;刘开朗;王加启;邓露芳;李旦
  • 通讯作者:
    李旦
瘤胃尿素转运与代谢调控研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    中国农业科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王芃芃;郑楠;王加启;赵圣国
  • 通讯作者:
    赵圣国

其他文献

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赵圣国的其他基金

饲用重组纳米抗体抑制奶牛瘤胃微生物脲酶活性效果与作用机制
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    54 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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