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下载所有乳酸菌基因组并且做基因预测

当前时间： 2026-08-17 17:08:34 分类：办公文件 评论(0)
下载所有乳酸菌基因组并且做基因预测

下载所有乳酸菌基因组并且做基因预测-20260415

1，背景介绍

2020年（Zheng et al. 2020）乳杆菌科（Lactobacillaceae）分类大调整的核心，是基于全基因组序列分析（核心基因组系统发育、平均核苷酸/氨基酸一致性、特征基因、生态与代谢特性等），将原先高度异质的Lactobacillus属（当时约261种）拆分成25个属（包括保留并修正描述的Lactobacillus属、Paralactobacillus属，以及23个新属）。同时，将原Lactobacillaceae和Leuconostocaceae两科合并为一个科（现在的Lactobacillaceae），整体属的数量一度达到约31个（含Pediococcus、Weissella、Leuconostoc、Oenococcus、Fructobacillus、Convivina等原属）。

保留/修正的属：

  • Lactobacillus（乳酸菌属，模式种：L. delbrueckii）——主要保留宿主适应型物种（如L. acidophilus、L. crispatus、L. gasseri、L. johnsonii、L. iners等，适应脊椎动物或昆虫肠道/阴道等）。
  • Paralactobacillus（副乳杆菌属）——少数物种。

23个新属（多数名称以“L”开头，便于过渡记忆，原种名通常保留）：

  • Acetilactobacillus（醋酸乳杆菌属）
  • Agrilactobacillus（农乳杆菌属）
  • Amylolactobacillus（淀粉乳杆菌属）
  • Apilactobacillus（蜜蜂乳杆菌属，常与昆虫相关）
  • Bombilactobacillus（蜂乳杆菌属，与蜂蜜/蜜蜂相关）
  • Companilactobacillus（伴生乳杆菌属）
  • Dellaglioa（德拉吉奥乳杆菌属）
  • Fructilactobacillus（果糖乳杆菌属）
  • Furfurilactobacillus（糠乳杆菌属）
  • Holzapfelia（霍尔扎普费尔乳杆菌属）
  • Lacticaseibacillus（干酪乳杆菌属，如原L. casei、L. paracasei、L. rhamnosus等，常见于发酵乳制品和益生菌）
  • Lactiplantibacillus（植物乳植杆菌属，即你之前提到的“植物乳杆菌”，模式种：L. plantarum，适应植物/发酵食品）
  • Lapidilactobacillus（石乳杆菌属）
  • Latilactobacillus（宽乳杆菌属，如L. sakei等）
  • Lentilactobacillus（透镜乳杆菌属，如原L. buchneri群）
  • Levilactobacillus（短乳杆菌属，如L. brevis等，异型发酵）
  • Ligilactobacillus（结肠乳杆菌属/唾液乳杆菌群部分）
  • Limosilactobacillus（粘液乳杆菌属，即你说的“limo乳杆菌”，如L. fermentum、L. reuteri等，许多能产胞外多糖，常见益生菌）
  • Liquorilactobacillus（酒乳杆菌属/唾液乳杆菌群部分）
  • Loigolactobacillus（洛伊戈乳杆菌属，如原L. coryniformis群）
  • Paucilactobacillus（少乳杆菌属）
  • Schleiferilactobacillus（施莱费尔乳杆菌属）
  • Secundilactobacillus（次乳杆菌属）

所以，现在的乳酸菌属，只有Lactobacillus了。不过我关注的包括植物乳杆菌，就一切下载：

乳酸菌属：Lactobacillus

植物乳杆菌属：Lactiplantibacillus

2，下载基因组

先下载4种常见的乳酸菌的参考基因组。

安装下载软件：

mamba install ncbi-datasets-cli -y

这是NCBI官方的软件。

获取Lactobacillus属和Lactiplantibacillus属下面的种名字：

安装软件：

#运行的命令里用了 jq（一个 JSON 处理工具）mamba install jq

需要用到dataformat，不过通常和 datasets 一起装好的，不用额外安装。

逻辑：现在NCBI里看，属于这两个属的菌种有哪些，然后按照细菌的种名下载。

代码：

#!/bin/bash# =============================================# 提取并清洗 Lactobacillus 和 Lactiplantibacillus 的物种列表# 只保留 "Genus species" 格式，去掉 strain、DSM、ATCC 等后缀# =============================================set -eecho"=== Step 1: 提取原始物种列表 ==="echo"正在获取 Lactobacillus 所有物种..."datasets summary genome taxon "Lactobacillus" --as-json-lines > Lactobacillus_species.jsonlcat Lactobacillus_species.jsonl | dataformat tsv genome --fields organism-name | tail -n +2 | sort | uniq > Lactobacillus_raw.txtecho"正在获取 Lactiplantibacillus 所有物种..."datasets summary genome taxon "Lactiplantibacillus" --as-json-lines > Lactiplantibacillus_species.jsonlcat Lactiplantibacillus_species.jsonl | dataformat tsv genome --fields organism-name | tail -n +2 | sort | uniq > Lactiplantibacillus_raw.txtecho"=== Lactobacillus_raw.txt 前 5 行示例 ==="head -n 5 Lactobacillus_raw.txt | cat -necho"=== Lactiplantibacillus_raw.txt 前 5 行示例 ==="head -n 5 Lactiplantibacillus_raw.txt | cat -n# ====================== 清洗函数：只保留 Genus species ======================clean_species_list() {local input_file="$1"local output_file="$2"local genus="$3"# Lactobacillus 或 Lactiplantibacillusecho"正在清洗 $input_file → $output_file ..."    cat "$input_file" | \# 1. 去掉 Candidatus（不管大小写）    grep -v -i "^Candidatus" | \# 2. 去掉未定种 (sp.)    grep -v -i " sp\." | \# 3. 去掉 unclassified 或 metagenome 等明显杂项    grep -v -i "unclassified\|metagenome\|uncultured" | \# 4. 只保留包含属名的行（宽松匹配，防止把正常行也干掉）    grep -i "$genus" | \# 5. 取前两个字段（Genus species），忽略后面的 strain/subsp./DSM 等    awk '{print $1, $2}' | \# 6. 去重 + 只保留正好两个词的行    sort | uniq | \    awk 'NF == 2 && $1 ~ /^[A-Z]/' > "$output_file"}clean_species_list "Lactobacillus_raw.txt""Lactobacillus_species_list.txt""Lactobacillus"clean_species_list "Lactiplantibacillus_raw.txt""Lactiplantibacillus_species_list.txt""Lactiplantibacillus"# 显示结果echo"=== Lactobacillus 干净物种数量 ==="wc -l Lactobacillus_species_list.txtecho"前 5 个示例："head -n 5 Lactobacillus_species_list.txtecho"=== Lactiplantibacillus 干净物种数量 ==="wc -l Lactiplantibacillus_species_list.txtecho"前 5 个示例："head -n 5 Lactiplantibacillus_species_list.txtecho"✅ 清洗完成！干净列表已保存为 *_species_list.txt"echo"   （只保留属名 + 种名，例如：Lactiplantibacillus pentosus）"

结果：

(bio) zhoukc@dell-PowerEdge-R750xs:~/Bac_genome/test2$ bash 1.sh === Step 1: 提取原始物种列表 ===正在获取 Lactobacillus 所有物种...正在获取 Lactiplantibacillus 所有物种...=== Lactobacillus_raw.txt 前 5 行示例 ===     1 Candidatus Lactobacillus pullistercoris     2 Candidatus Paralactobacillus gallistercoris     3 Lactobacillus acetotolerans     4 Lactobacillus acetotolerans DSM 20749 = JCM 3825     5 Lactobacillus acidophilus=== Lactiplantibacillus_raw.txt 前 5 行示例 ===     1 Lactiplantibacillus argentoratensis     2 Lactiplantibacillus argentoratensis DSM 16365     3 Lactiplantibacillus brownii     4 Lactiplantibacillus carotarum     5 Lactiplantibacillus daoliensis正在清洗 Lactobacillus_raw.txt → Lactobacillus_species_list.txt ...正在清洗 Lactiplantibacillus_raw.txt → Lactiplantibacillus_species_list.txt ...=== Lactobacillus 干净物种数量 ===51 Lactobacillus_species_list.txt前 5 个示例：Lactobacillus acetotoleransLactobacillus acidophilusLactobacillus agrestimurisLactobacillus amylolyticusLactobacillus amylovorus=== Lactiplantibacillus 干净物种数量 ===20 Lactiplantibacillus_species_list.txt前 5 个示例：Lactiplantibacillus argentoratensisLactiplantibacillus browniiLactiplantibacillus carotarumLactiplantibacillus daoliensisLactiplantibacillus daowaiensis✅ 清洗完成！干净列表已保存为 *_species_list.txt   （只保留属名 + 种名，例如：Lactiplantibacillus pentosus）

下载Lactobacillus属和Lactiplantibacillus属下面所有种的的参考基因组：

一共71个细菌的基因组。

#!/bin/bash# ================== 从清洗后的列表文件动态读取物种 ==================echo"=== 从列表文件加载物种 ==="# 合并两个干净列表（去重 + 排序）cat Lactobacillus_species_list.txt Lactiplantibacillus_species_list.txt 2>/dev/null | \    sort | uniq > all_species_list.txt# 构建 species 数组species=()while IFS= read -r line || [[ -n $line ]]; doif [[ -n "$line" && "$line" =~ ^[A-Z] ]]; then        species+=("$line")fidone < all_species_list.txtecho"共加载 ${#species[@]} 个物种，将下载它们的参考基因组..."# 如果列表为空，给个友好提示if [ ${#species[@]} -eq 0 ]; thenecho"警告：列表为空！请检查 Lactobacillus_species_list.txt 和 Lactiplantibacillus_species_list.txt 是否有内容。"exit 1fifor sp in"${species[@]}"; doecho"正在处理 ${sp}..."    sp_name="${sp// /_}"    output_dir="${sp_name}_genome"    mkdir -p "$output_dir"# 下载参考基因组（只下载 reference + genome 文件）    datasets download genome taxon "${sp}" \        --reference \        --filename "${sp_name}.zip" \        --include genomeif [ ! -f "${sp_name}.zip" ]; thenecho"错误: ${sp} 下载失败（可能没有 reference 基因组）"continuefi# 解压    unzip -q "${sp_name}.zip" -d "${sp_name}_tmp"# 重命名文件（保留 accession）    find "${sp_name}_tmp/ncbi_dataset/data" -name "*.fna" | whileread -r file; do        accession=$(basename $(dirname "$file"))        cp "$file""$output_dir/${sp_name}_${accession}.fa"done# 清理    rm -rf "${sp_name}.zip""${sp_name}_tmp"echo"${sp} 完成 ($(ls "$output_dir"/*.fa 2>/dev/null | wc -l) 个基因组)"doneecho"所有物种处理完成！"

结果:

(bio) zhoukc@dell-PowerEdge-R750xs:~/Bac_genome/test2$ bash 2.sh === 从列表文件加载物种 ===共加载 71 个物种，将下载它们的参考基因组...正在处理 Lactiplantibacillus argentoratensis...Collecting 1 genome record [================================================] 100% 1/1Downloading: Lactiplantibacillus_argentoratensis.zip    904kB valid data packageValidating package files [================================================] 100% 5/5Lactiplantibacillus argentoratensis 完成 (1 个基因组)正在处理 Lactiplantibacillus brownii...Collecting 1 genome record [================================================] 100% 1/1Downloading: Lactiplantibacillus_brownii.zip    931kB valid data package......#结束后计数一下(bio) zhoukc@dell-PowerEdge-R750xs:~/Bac_genome/test2$ ls */*fa | wc -l69

下载了69个，应该有2个基因组没有参考基因组或者下载失败，无所谓了。

3，基因预测-prodigal

基因预测：

安装软件：

mamba install prodigal

prodigal的翻译：败家子，哈哈，这名字叫得

关键参数详解

  1. -p meta

    • 应用场景：处理宏基因组数据（短序列、混合样本）。
    • 与single区别：meta模式不依赖物种特异性信号（如SD序列），适合多样性高的样本。

  2. -g（密码子表）

    • 11：标准细菌密码子（默认）。
    • 4：支原体/低GC含量菌（如TGA编码色氨酸而非终止子）。
    • 常见选项：
    • 重要性：错误选择会导致基因预测不准确（如起始/终止位点错误）。

  3. -f gff

    • 输出内容：基因坐标、链方向、功能注释（如ID=1_1;partial=00表示完整基因）。
    • 下游分析：可直接用于基因组浏览器（如IGV）或注释工具（如Prokka）。

  4. -t（训练文件）

    • 适用情况：默认模型在极端GC含量或特殊密码子使用物种表现不佳时，需自定义训练。

4，蛋白注释-eggnog_mapper

安装数据库：

#python 小于3.7，eggnog-mapper不支持mamba create -n eggnog_mapper python=3.10 -y eggnog-mapper#验证mamba run -n eggnog_mapper emapper.py --helpmamba install -y eggnog-mapper# 创建数据库目录（确保有写入权限）mkdir -p /home/zhoukc/eggnog_db# 下载数据库（指定具体路径），数据有点大，建议挂后台下载nohup download_eggnog_data.py -y --data_dir /home/zhoukc/eggnog_db &
(bio) zhoukc@dell-PowerEdge-R750xs:~/eggnog_db$ du -h *39G eggnog.db8.7G eggnog_proteins.dmnd266M eggnog.taxa.db6.4M eggnog.taxa.db.traverse.pkl18M nohup.out

差不多50G左右。

把69个基因组，放在一个文件夹中：

mkdir Lactobacillus_Lactiplantibacillus_69mv *genome/*fa ./Lactobacillus_Lactiplantibacillus_69ls Lactobacillus_Lactiplantibacillus_69 | wc -lrm -rf *genomelscd Lactobacillus_Lactiplantibacillus_69

功能注释：

#!/bin/bash# 全局设置THREADS=64                           # CPU线程数EGGNOG_DATA="/home/zhoukc/eggnog_db"# eggNOG数据库路径LOG_FILE="annotation_batch.log"# 日志文件# 清空旧日志> "$LOG_FILE"# 防止没有匹配文件时把 *.fa 当成字面文件名shopt -s nullglob# 循环处理所有 .fa 基因组文件for GENOME_FILE in *.fa; do# 提取前缀（去掉 .fa 后缀）    SAMPLE_PREFIX="${GENOME_FILE%.fa}"echo"Processing $GENOME_FILE | Sample: $SAMPLE_PREFIX" | tee -a "$LOG_FILE"echo"----------------------------------------" | tee -a "$LOG_FILE"# ===== 1. 基因预测 (Prodigal) =====    GFF_OUT="${SAMPLE_PREFIX}_genes.gff"    PROTEIN_OUT="${SAMPLE_PREFIX}_proteins.faa"    SCORES_OUT="${SAMPLE_PREFIX}_gene_scores.txt"echo"[1/2] Running Prodigal..." | tee -a "$LOG_FILE"    prodigal \        -i "$GENOME_FILE" \        -o "$GFF_OUT" \        -a "$PROTEIN_OUT" \        -f gff \        -g 11 \        -p single \        -q \        -s "$SCORES_OUT" \        >> "$LOG_FILE" 2>&1if [ ! -s "$PROTEIN_OUT" ]; thenecho"ERROR: Prodigal failed or produced empty $PROTEIN_OUT" | tee -a "$LOG_FILE"exit 1fi# ===== 2. 功能注释 (eggNOG-mapper) =====    EGGNOG_OUT="${SAMPLE_PREFIX}_eggNOG"echo"[2/2] Running eggNOG-mapper..." | tee -a "$LOG_FILE"    mamba run -n eggnog_mapper emapper.py \        -i "$PROTEIN_OUT" \        -o "$EGGNOG_OUT" \        --cpu "$THREADS" \        --sensmode fast \        --data_dir "$EGGNOG_DATA" \        --tax_scope auto \        --report_orthologs \        >> "$LOG_FILE" 2>&1echo"Annotation completed for $SAMPLE_PREFIX" | tee -a "$LOG_FILE"echo"----------------------------------------" | tee -a "$LOG_FILE"doneecho"ALL SAMPLES PROCESSED. Check $LOG_FILE for details." | tee -a "$LOG_FILE"

过程：

(bio) zhoukc@dell-PowerEdge-R750xs:~/Bac_genome/test2/Lactobacillus_Lactiplantibacillus_69$ tail -f nohup.out Processing Lactiplantibacillus_argentoratensis_GCF_037290055.1.fa | Sample: Lactiplantibacillus_argentoratensis_GCF_037290055.1----------------------------------------[1/2] Running Prodigal...[2/2] Running eggNOG-mapper...Annotation completed for Lactiplantibacillus_argentoratensis_GCF_037290055.1----------------------------------------Processing Lactiplantibacillus_brownii_GCF_045862825.1.fa | Sample: Lactiplantibacillus_brownii_GCF_045862825.1----------------------------------------[1/2] Running Prodigal...[2/2] Running eggNOG-mapper...

一个基因组差不多3min吧。

每个基因组7个文件。

  • Prodigal 生成了：.proteins.faa、.genes.gff、.gene_scores.txt
  • eggNOG-mapper 生成了：.emapper.annotations、.emapper.hits、.emapper.orthologs、.emapper.seed_orthologs

1. Prodigal 生成的文件（基因预测阶段）

  • Lactiplantibacillus_xxx_proteins.faa用途：最重要的文件之一
    • 这是从基因组DNA中预测出来的所有蛋白质序列（氨基酸序列，FASTA格式）。
    • eggNOG-mapper 就是拿这个文件去做功能注释的。
    • 后续分析最常用：你做代谢通路、毒力因子、核心基因组分析、蛋白结构预测等，几乎都要用到这个 .faa 文件。
  • Lactiplantibacillus_xxx_genes.gff用途：基因位置注释文件
    • 用 IGV、Artemis 等软件可视化看基因位置
    • 做基因组比较（Pan-genome）时需要
    • 提取特定区域的序列
    • 记录了每个预测基因在基因组上的精确位置（起始位点、终止位点、链的方向、正负链等）。
    • 格式是标准的 GFF3。
    • 常用场景：
  • Lactiplantibacillus_xxx_gene_scores.txt用途：Prodigal 的内部打分文件
    • 记录了每个预测基因的置信度分数（score）。
    • 一般不常用，主要用于调试或你想严格筛选“高置信基因”的时候。
    • 大部分情况下可以直接删除节省空间。

2. eggNOG-mapper 生成的文件（功能注释阶段）

  • Lactiplantibacillus_xxx_eggNOG.emapper.annotations用途：最重要、最核心的结果文件（强烈建议保留）
    • 每个蛋白的 eggNOG ortholog（OG）
    • 功能描述（Description）
    • GO terms（基因本体，分子功能、生物过程、细胞组分）
    • KEGG 通路（ko 号）
    • COG 分类
    • EC number（酶 commission 号）
    • PFAM 结构域等
    • 这是你跑 eggNOG-mapper 后最主要的输出。
    • 内容包括：
    • 后续分析基本都依赖这个文件：做功能富集、代谢网络构建、比较不同菌株的功能差异等。
  • Lactiplantibacillus_xxx_eggNOG.emapper.hits用途：比对的原始 hits 文件
    • 记录了每个蛋白在 eggNOG 数据库中最相似的种子序列（seed ortholog）的比对信息（类似 blast 结果）。
    • 包含 score、e-value、identity 等。
    • 一般不直接使用，主要用于调试或你想查看具体比对细节时。
  • Lactiplantibacillus_xxx_eggNOG.emapper.seed_orthologs用途：种子直系同源物列表
    • 列出了每个蛋白匹配到的 eggNOG “seed ortholog” 的 ID。
    • 中等重要，有时候你想进一步用 eggNOG online 工具深入分析时会用到。
  • Lactiplantibacillus_xxx_eggNOG.emapper.orthologs用途：更完整的直系同源群信息
    • 记录了该蛋白所属的 orthologous group（OG）包含的其他物种成员。
    • 可选保留，做进化分析或比较基因组学时比较有用，普通功能注释可以不保留。

实际使用建议（针对你的 69 个 Lactobacillus/Lactiplantibacillus 菌株）

强烈推荐保留的文件（每个菌株留这 2 个就够了）：

  1. *_proteins.faa （蛋白序列）
  2. *_eggNOG.emapper.annotations （功能注释表）

可以安全删除的文件（节省磁盘空间）：

  • *_gene_scores.txt
  • *_genes.gff （除非你需要看基因位置或做可视化）
  • *_eggNOG.emapper.hits
  • *_eggNOG.emapper.seed_orthologs
  • *_eggNOG.emapper.orthologs

5，查找自己关注的酶

一个细菌（尤其是乳酸菌，如Lactobacillus、Lactococcus 等）能分泌（或产生并释放）乳酸，主要依赖乳酸发酵（lactic acid fermentation）途径。乳酸不是细菌主动“分泌”的次级代谢物，而是糖酵解（glycolysis）途径的终产物，通过细胞膜上的转运蛋白（如乳酸/质子共转运蛋白）排出到胞外，导致培养基酸化。

核心酶：乳酸脱氢酶（Lactate Dehydrogenase, LDH） 酶的编号：EC 1.1.1.27或者EC 1.1.1.28

EC 号：

  • EC 1.1.1.27：L-乳酸脱氢酶（L-lactate dehydrogenase），催化产生 L-乳酸（大多数乳酸菌产生此异构体）。
  • EC 1.1.1.28：D-乳酸脱氢酶（D-lactate dehydrogenase），催化产生 D-乳酸（部分乳酸菌产生此异构体，或同时产生两种）

需要找的酶：

简单查看：

grep "1.1.1.27" -w *eggNOG.emapper.annotations | awk -F '\t''{print $1,$3,$4, $9, $11}' | column -t
image-20260417130710030

第一列是query_name

第三列是evalue，通常认为 evalue < 1e-3 是可信匹配，< 1e-10 为高度可信。

第四列是score，一般 >50 即可信

第九列是Preferred_name

第11列是EC编号

参数
evaluescore
关注点
随机可能性
比对质量
依赖性
依赖数据库大小
与数据库无关
应用场景
过滤假阳性
比较不同比对的优劣
用户选择
一般优先看 evalue
跨数据库分析用 score
  • evalue：判断匹配是否随机，越小越好（重点关注）。
  • score：衡量匹配质量，越大越好（跨数据库比较时有用）

接下来就是自己按照需求可视化了，R语言里做个统计柱状图，基因有无得热图啥的，那就手拿把掐了。