科研|新型土壤細菌具有多種合成次級代謝物的基因

來自專欄微生太

導讀

在土壤生態系統中，微生物可以產生多種次生代謝物，如抗生素，抗真菌劑和鐵載體等。大多數已知的抗生素都來自於少數可培養的微生物，但大家很少研究土壤中大多數細菌的生物合成潛力。在這裡，作者從草原土壤宏基因組中重建了數百個近乎完整的基因組，並從先前未充分研究的細菌中進行鑒定。細菌在土壤中含量非常豐富，但之前並沒有將其與次生代謝產物的基因組學信息相關聯。作者鑒定了來自不同譜系的兩個酸桿菌基因組，每個基因組編碼一個大的生物合成基因庫，同時每個基因組包含多達十五個聚酮化合物和非核糖體肽生物合成的基因座。系統發育上不同的土壤微生物的生物合成潛力被大家忽視，研究這些生物可以明確多種天然產物的來源，可以滿足人類對新抗生素和其他藥物化合物的需求。

論文ID

原名：Novel soil bacteria possess diverse genes for secondary metabolite biosynthesis

譯名：新型土壤細菌具有多種合成次級代謝物的基因

期刊：Nature

IF：41.577

發表時間：2018年

通信作者：Alexander Crits-Christoph

通信作者單位：加州大學

實驗設計

作者在實驗中對不同時間不同地點不同深度的120個樣本進行採樣，並使用轉錄組學技術研究特定生物的轉錄共表達網路、微生物抗性和鐵代謝調節、代謝物生物合成和生態競爭過程，進而推斷土壤生態系統中編碼聚酮合酶和非核糖體肽合成酶基因的表達。

實驗內容

作者使用宏基因組方法從加利福尼亞北部草原的土壤生態系統中重建了數百種微生物的基因組草圖，並從四種土壤細菌門類的靶向基因組來分析生物合成潛力，在田間採樣點（圖1a）和全球採樣的土壤中來自所有四種門類的細菌含量非常豐富。這次研究代表了迄今為止這些土壤相關細菌的最大基因組抽樣，以及對其次生代謝的最詳細分析。推斷鑒定的基因簇多用於合成非核糖體肽（NRP），聚酮化合物，萜烯，細菌素，和功能不確定的代謝物。作者從頭重建了近乎完整的基因組，讓我們可以識別整個新的生物合成基因簇，並描述它們個體基因組、系統發育和生態背景。對於有非核糖體肽合成酶（NRPS）和聚酮合酶（PKS）的基因簇，這些酶的產物包含有許多抗生素，抗真菌劑，鐵載體和免疫抑製劑。在四種感興趣的細菌門類中（圖1c）鑒定出240個NRPS，PKS和雜合基因簇，並且在較小的基因組片段上鑒定出86個可能不完整的基因簇。儘管它們在基因含量方面具有極大的多樣性，但這些生物合成途徑是可識別的。在疣微菌門，酸桿菌門和Rokubacteria中存在大量多樣且稀疏聯繫的NRPS和PKS系統（圖1d）。作者通過基因簇內抗性基因的存在可以判斷該簇參與抗生素的產生關係

這些生物中的每一種都含有超過900kb的基因，推斷這些基因均參與次級代謝物的生物合成。利用酸桿菌基因組對核糖體蛋白質序列分析表明，Candidatus Angelobacter和Candidatus Eelbacter獨立獲得了獨特的生物合成操縱子序列（圖2a）。Candidatus Eelbacter基因組包含六個基因簇，它們是長度超過45kb的複合I型NRPS-PKS雜交系統（圖2b）。從獨立的土樣中獲得Candidatus Eelbacter的三個重複基因組，並共享相同的生物合成基因簇。實驗的酸桿菌基因組特徵暗示了由化學和毒素產生介導的異常生活方式。在具有任何基因表達水平的NRPS和PKS簇中檢測到198個NRPS和PKS基因的表達，同時在研究的所有四種門類中均檢測到NRPS和PKS基因簇的表達，並且在酸桿菌中檢測到84個活性簇。數據集中分析後從7個基因組中鑒定了10個NRPS和PKS基因簇，其表達水平在修正實驗中表現出時間依賴性（圖3a）。Candidatus Angelobacter中幾個基因簇的基因表達在底物添加後12-24小時中顯著增加（圖3a），作者發現Candidatus Angelobacter的幾種生物合成基因的表達在時間上與核心核糖體基因的表達並不一致（圖3b）。這些結果表明，Candidatus Angelobacter種群對水和底物的添加存在響應，並且在核心代謝基因表達增加後獨立調節次級代謝物的基因表達。為了預測這些生物合成NRPS和PKS基因的生物學和生態學作用，作者對時間依賴性的7個基因進行了單獨的共表達分析。在七個基因組中的四個發現了顯著富集次級代謝物基因的共表達，作者發現所有四個次級代謝網路都由涉及轉錄的基因控制。Angelobacter種群同時表達了多個生物合成基因，表明其與生態競爭相關的協同反應。

結 論

作者發現了來自4個土壤細菌門類大量細菌基因組中次生代謝物合成的眾多證據。雖然作者並不能準確的預測在此出現的生物合成基因或其基因產物的基本結構框架，但可知大部分已知聚酮化合物和非核糖體代謝物對微生物具有一定抗性。特定NRPS和PKS基因簇之間的轉錄關聯，鐵代謝調節劑和抗微生物抗性機製表明這些基因簇可能參與鐵資源和抗生素的競爭。

點 評

實驗的相關發現強調了基因組學技術在解析土壤生態系統研究中的實用性，並為研究未知基因的新型生物活性提供依據，也為探究潛在的生態和藥物重要性開闢了道路。

想獲得更多的免費學術資料嗎？想認識更多的小夥伴嗎？請加微信wxid_qk4bijnecwf322，審核過後會將您邀請進學術群。這些微信群旨在為微生態研究者提供交流平台，而且我們會通過網路舉辦一系列的微生態研究技術講座，分享一系列相關研究文獻，舉辦一系列交流研究成果的學術活動。您也可以關注《微生太》公眾號，獲得更多更全關於菌群的動態。

你可能還喜歡：