Identification of polyketide synthase genes required for aspinolide biosynthesis in Trichoderma arundinaceum
- 作者
- Rosa E. Cardoza, Susan P. McCormick, Inmaculada Izquierdo-Bueno, Natalia Martínez-Reyes, Laura Lindo, Daren W. Brown, Isidro G. Collado, Robert H. Proctor, Santiago Gutiérrez
- 单位
- University Group for Research in Engineering and Sustainable Agriculture (GUIAS), Area of Microbiology, University of León, 24400 Ponferrada, Spain; USDA, Agricultural Research Service, National Center for Agricultural Utilization Research, Mycotoxin Prevention and Applied Microbiology Research Unit, 1815 N University St., Peoria, IL 61604, USA; Departamento de Química Orgánica, Facultad de Ciencias, Universidad de Cádiz, Campus Universitario Río San Pedro s/n, Torre Sur, 4ª planta, 11510 Puerto Real, Cádiz, Spain
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2022）
- DOI
- 10.1007/s00253-022-12182-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
鉴定 Trichoderma arundinaceum 中 asépsilon阿斯匹诺内酯（aspinolides）生物合成所需的聚酮合酶基因，并解析其在生物防治活性中的功能。
研究策略
采用比较基因组学方法，在 T. arundinaceum 与产 aspinolide 的 Aspergillus ochraceus 中共同鉴定到两个聚酮合酶基因 asp1 和 asp2；通过基因敲除、代谢组学分析和转录组分析验证其功能；并结合系统发育和比较基因组分析考察基因簇分布与演化。
研究路线图
核心内容
该研究通过比较基因组学在T. arundinaceum和产aspinolide的Aspergillus ochraceus中共同鉴定到两个聚酮合酶基因asp1和asp2，并利用基因敲除、代谢组学和转录组分析验证其功能。实验表明，asp1和asp2均为aspinolide生物合成所必需：野生型菌株中AspB产量为24.4 mg/L、AspC为14.3 mg/L，而Δasp1和Δasp2突变体中均未检测到已知aspinolide类似物；Δasp1突变体积累了新化合物8-羟基aspinolide A（2.3 mg/L）和3,11-diepiisotrichotriol（3.9 mg/L），Δasp2仅产生后者（3.6 mg/L）。值得注意的是，Δasp2突变体的harzianum A产量达296.3 μg/mL，较野生型（220.1 μg/mL）提升约34%，且对病原真菌的抑制活性显著增强。此外，asp1和asp2及其间10个基因构成推定生物合成基因簇，AspC对Kluyveromyces marxianus和Rhizoctonia solani有抑制活性而AspB无。这项工作首次鉴定了aspinolide生物合成的关键聚酮合酶基因，提出更新的合成途径，并揭示AspC与harzianum A在生防功能上存在冗余，为优化T. arundinaceum的生防性能提供了遗传操作靶点。
创新点
['首次鉴定出 aspinolide 生物合成所需的两个聚酮合酶基因 asp1 和 asp2', '发现阻断 aspinolide 产生可提高 harzianum A 产量', '提出更新的 aspinolide 生物合成途径']
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Trichoderma arundinaceum IBT 40837 | aspinolide生物合成 | asp1 (TARUN_4144) | ASP1 (diketide synthase) | 催化 | 催化8-丁烯酰取代基的二酮前体合成 |
| Trichoderma arundinaceum IBT 40837 | aspinolide生物合成 | asp2 (TARUN_4155) | ASP2 (pentaketide synthase) | 催化 | 催化10元内酯环的戊酮前体合成 |
| Aspergillus ochraceus NRRL 35121 | aspinolide生物合成 | asp1 (AOCHR_5364) | ASP1同源蛋白 | 催化 | 与T. arundinaceum asp1同源，共定位于推定aspinolide基因簇 |
| Aspergillus ochraceus NRRL 35121 | aspinolide生物合成 | asp2 (AOCHR_5357) | ASP2同源蛋白 | 催化 | 与T. arundinaceum asp2同源，共定位于推定aspinolide基因簇 |
| Trichoderma arundinaceum IBT 40837 | trichothecene/harzianum A生物合成 | tri6 | Tri6 (Cys2His2锌指转录因子) | 调控 | tri6缺失导致HA产量降低而aspinolide产量升高，RNAseq显示tri6突变体中asp1和asp2表达上调 |
关键发现
- asp1 和 asp2 均为 aspinolide 生物合成所必需；野生型 T. arundinaceum 中 AspB 产量为
- 4 mg/L，AspC 为
- 3 mg/L，Δasp1 和 Δasp2 突变体中均未检测到已知 aspinolide 类似物；Δasp1 突变体产生新化合物 8-羟基 aspinolide A（2.3 mg/L）和 3,11-diepiisotrichotriol（3.9 mg/L），Δasp2 突变体仅产生 3,11-diepiisotrichotriol（3.6 mg/L）；在 48 h PDB 培养条件下，Δasp2 突变体 HA 产量为
- 3±17.0 μg/mL，较野生型（220.1±11.1 μg/mL）显著增加约 34%；Δasp1 突变体 HA 产量（222.3±24.0 μg/mL）与野生型相当；asp1 和 asp2 及其之间的 10 个基因构成推定 aspinolide 生物合成基因簇；AspC 能抑制 Kluyveromyces marxianus 和 Rhizoctonia solani，而 AspB 无抑制活性；Δasp2 突变体对病原真菌的抑制活性显著高于野生型和 Δasp1 突变体。
研究结论
asp1 和 asp2 是 aspinolide 生物合成所必需的聚酮合酶基因，位于一个推定基因簇中；Δasp2 突变体 HA 产量上升且抗真菌活性增强；AspC 和 HA 在 T. arundinaceum 的抗生作用中存在功能冗余。