Bioprospecion of the bacterial β-myrcene-biotransforming trait in the rhizosphere
- 作者
- Pedro Soares-Castro, Filipa Soares, Francisca Reis, Teresa Lino-Neto, Pedro M. Santos
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2023）
- DOI
- 10.1007/s00253-023-12650-w
- 所属领域
- 微生物生物技术
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏对根际环境中β-香叶烯生物转化细菌及其遗传模块多样性的了解，限制了可用于生物技术开发的生物催化资源。
研究策略
以β-香叶烯为唯一碳源对葡萄牙4个地点的栓皮栎和桉树根际土壤进行富集培养，分离β-香叶烯生物转化菌；通过16S rRNA测序鉴定分类，通过生长动力学和GC-MS代谢物分析表征表型；对代表性菌株进行全基因组测序，通过比较基因组学分析M1菌株28-kb基因岛在新分离菌株中的保守性及ICE结构。
研究路线图
核心内容
该研究通过以β-香叶烯为唯一碳源的富集培养策略，从葡萄牙四个地点的栓皮栎和桉树根际土壤中分离出150株具有β-香叶烯生物转化能力的细菌，涵盖Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria和Sphingobacteria四个纲共7个属，其中Pseudomonas属占42.8%。部分新分离株的生长速率优于参考菌株Pseudomonas sp. M1（最大比生长速率0.85 h⁻¹），如UMA603达到0.98 h⁻¹。对14株代表菌株的全基因组测序和比较基因组学分析揭示，11个Pseudomonas分离株含有与M1的28-kb核心编码区（22个基因）核苷酸同一性为100%的区域，且该核心位于一个约76-kb的整合性接合元件（ICE）中，两侧为整合酶和接合转移基因簇，提示该性状可通过水平基因转移在环境中传播。同时，Sphingobacterium sp. UME9和Variovorax sp. UMC13虽能产生相同的代谢衍生物但其基因组缺乏M1同源核心，表明存在替代代谢途径。这些发现不仅扩展了β-香叶烯生物转化性状的已知细菌分类范围，也揭示了该性状通过ICE介导的水平基因转移在根际微生物群落中广泛传播的机制，非假单胞菌属的替代途径则为发掘新型生物催化酶资源提供了重要线索。
创新点
分离到150株β-香叶烯生物转化菌，大幅扩展了该性状的已知细菌分类范围；首次揭示Pseudomonas sp. M1的β-香叶烯核心编码位于一个76-kb的整合性接合元件（ICE）中，并在11个新Pseudomonas基因组中完全保守；证明非假单胞菌菌株通过替代代谢途径进行β-香叶烯生物转化，是潜在的新酶源。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pseudomonas sp. M1 | β-香叶烯生物转化途径 | myrH (MRY70_06145) | MyrH β-香叶烯羟化酶 | 催化 | 将β-香叶烯氧化为myrcen-8-醇等衍生物；该基因位于28-kb基因组岛内 |
| Pseudomonas sp. 分离株 UMA601, UMA603, UMA643, UMC76, UMC631, UMC3103, UMC3106, UMC3129, UME83 | β-香叶烯生物转化途径 | M1 28-kb核心编码区（22个基因） | 与M1 100%同源的酶系 | 催化 | 该核心位于76-kb ICE中，染色体整合于guaA下游 |
| Pseudomonas sp. 分离株 UMC65, UME65 | β-香叶烯生物转化途径 | 28-kb核心编码区 | 与M1完全同源 | 催化 | 属于P. protegens clade，与M1共享76-kb保守区 |
| Cupriavidus sp. UME77 | β-香叶烯生物转化（替代途径） | — | — | 催化 | 仅检测到myrcen-8-醇生成；无M1同源核心基因 |
| Sphingobacterium sp. UME9 | β-香叶烯生物转化（替代途径） | — | — | 催化 | 产生myrcen-8-醇、myrcenico acid、4-甲基-3-己烯酸和4-甲基己酸等 |
| Variovorax sp. UMC13 | β-香叶烯生物转化（替代途径） | — | — | 催化 | 产生与M1类似的衍生物 |
关键发现
- 从葡萄牙4个地点的根际土壤中共分离到150株β-香叶烯生物转化（Myr+）细菌，分属Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria和Sphingobacteria四个纲，涵盖7个属。Pseudomonas属占42.8%（63株）。参考菌株Pseudomonas sp. M1的最大比生长速率μmyr为0.85±0.06 h^-1，而分离株UMA603、UMC3129和UMC76分别达到0.98±0.09 h^-1、0.95±0.01 h^-1和0.88±0.03 h^-1。对14株代表性菌株进行全基因组测序，发现11个Pseudomonas分离株（UMA601、UMA603、UMA643、UMC76、UMC631、UMC3103、UMC3106、UMC3129、UME83、UMC65、UME65）的基因组含有与M1的28-kb核心编码区（22个基因）100%核苷酸同一性的区域，且该核心位于一个约76-kb的保守位点中，两侧为整合酶（MRY70_05920）和接合转移基因簇（traG及trbBCDEJLFGI），结构类似ICE。GC-MS检测到这些菌株均产生M1报道的衍生物，如myrcen-8-ol、myrcenico acid、4-甲基-3-己烯酸和4-甲基己酸。Sphingobacterium sp. UME9和Variovorax sp. UMC13也产生这些衍生物，但基因组无M1同源核心，表明存在替代途径。Cupriavidus sp. UME77仅检测到myrcen-8-ol。ANI分析显示UMC65和UME65与Pseudomonas protegens CHA0的ANI为98.9%，二者之间99.9%相同
- M1-like分离株与Pseudomonas citronellolis约98.1% ANI，与M1约99.9%。
研究结论
β-香叶烯生物转化性状在根际土壤中广泛存在且分类多样性高。Pseudomonas sp. M1的β-香叶烯核心编码实际位于一个76-kb的ICE基因岛上，该基因岛在多个环境中分离的11个Pseudomonas基因组中完全保守，提示该性状通过水平基因转移传播。非假单胞菌菌株可能拥有新的、未表征的β-香叶烯生物转化途径，是未来生物技术开发的重要资源。