第三條路線，我學者實現環境宏基因組功能基因發掘突破

　　從環境宏基因組中挖掘功能基因通常有兩條技術路線，一條是建立克隆文庫后直接用篩選壓力篩選陽性克隆，一條是通過設計引物，從宏基因組中克隆目標基因，然后進行功能研究。近日，李小方研究員團隊發展了第三條技術路線，實現了規模化、回避篩選壓力的功能宏基因組路線，并用于了金屬硫蛋白基因的高通量挖掘。該研究以“Metagenomics-guided discovery of potential bacterial metallothionein genes conferring Cu/Cd resistance from soil microbiome”為題發表在國際知名期刊 Applied and Environmental Microbiology上。

基于本地數據庫挖掘-進化分析-化學合成-功能基因組技術路線的環境DNA功能基因挖掘路線

　　金屬硫蛋白（Metallothionein, MT）是一類富含半胱氨酸的小分子蛋白，具有高效螯合金屬離子的能力。當前人們對于真核生物MT的研究較為完善，而對細菌MT的了解甚少。因此，發掘新穎細菌MT基因、拓展對細菌MT多樣性的認知，對于開發高效的重金屬生物修復材料具有重要意義。

　　像MTs這類基因，沒有明確和方便的功能篩選壓力可以使用，由于進化上的多樣性，使用傳統PCR的方式也無法實現從環境基因組中批量獲取。即便使用單個引物設計的方式，由于抗性基因固有的低豐度，也很難成功從環境基因組中克隆到他們。

　　李小方研究員團隊開發了一套基于功能宏基因組學的技術路線。該技術路線首先發展了多樣性潰減技術富集功能基因、基于本地化MT數據庫的宏基因組注釋，然后聯合了進化蹤跡分析、化學合成和功能基因組學驗證，從而實現了從環境樣品中高效批量鑒定新穎細菌MT基因。在鑒定到的27個新穎細菌MT基因中，有6個可以在顯著增強宿主大腸桿菌的重金屬銅/鎘抗性的同時提高宿主對銅、鎘和鋅的富集，其中MT5可以使宿主大腸桿菌的鎘富集量增加13.7倍。

　　在此研究之前，李小方研究團隊系統開發了基于本地數據庫和功能宏基因組學的功能基因發掘方法，先后建立了微生物砷代謝基因數據庫、高GC克隆文庫的功能基因組方法、功能宏基因組鎘抗性基因挖掘方法等，先后發表在Pedosphere、Genes、Metallomics等雜志。這些研究發掘的功能基因拓展了微生物重金屬抗性機制的多樣性認識，并且提供了一批潛在的可用于重金屬污染治理材料的生物分子。

　　上述研究受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院“百人計劃”和河北省杰出青年科學基金等項目的資助。