科研 | Nature：新型土壤细菌具有多种合成次级代谢物的基因
本文由殷继忠编译，董小橙、江舜尧编辑。
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在土壤生态系统中，微生物可以产生多种次生代谢物，如抗生素，抗真菌剂和铁载体等。大多数已知的抗生素都来自于少数可培养的微生物，但大家很少研究土壤中大多数细菌的生物合成潜力。在这里，作者从草原土壤宏基因组中重建了数百个近乎完整的基因组，并从先前未充分研究的细菌中进行鉴定。细菌在土壤中含量非常丰富，但之前并没有将其与次生代谢产物的基因组学信息相关联。作者鉴定了来自不同谱系的两个酸杆菌基因组，每个基因组编码一个大的生物合成基因库，同时每个基因组包含多达十五个聚酮化合物和非核糖体肽生物合成的基因座。系统发育上不同的土壤微生物的生物合成潜力被大家忽视，研究这些生物可以明确多种天然产物的来源，可以满足人类对新抗生素和其他药物化合物的需求。
原名：Novel soil bacteria possess diverse genes for secondary metabolite biosynthesis
译名：新型土壤细菌具有多种合成次级代谢物的基因
期刊：Nature
IF：41.577
发表时间：2018年
通信作者：Alexander Crits-Christoph
通信作者单位：加州大学
作者在实验中对不同时间不同地点不同深度的120个样本进行采样，并使用转录组学技术研究特定生物的转录共表达网络、微生物抗性和铁代谢调节、代谢物生物合成和生态竞争过程，进而推断土壤生态系统中编码聚酮合酶和非核糖体肽合成酶基因的表达。
作者使用宏基因组方法从加利福尼亚北部草原的土壤生态系统中重建了数百种微生物的基因组草图，并从四种土壤细菌门类的靶向基因组来分析生物合成潜力，在田间采样点（图1a）和全球采样的土壤中来自所有四种门类的细菌含量非常丰富。这次研究代表了迄今为止这些土壤相关细菌的最大基因组抽样，以及对其次生代谢的最详细分析。推断鉴定的基因簇多用于合成非核糖体肽（NRP），聚酮化合物，萜烯，细菌素，和功能不确定的代谢物。作者从头重建了近乎完整的基因组，让我们可以识别整个新的生物合成基因簇，并描述它们个体基因组、系统发育和生态背景。对于有非核糖体肽合成酶（NRPS）和聚酮合酶（PKS）的基因簇，这些酶的产物包含有许多抗生素，抗真菌剂，铁载体和免疫抑制剂。在四种感兴趣的细菌门类中（图1c）鉴定出240个NRPS，PKS和杂合基因簇，并且在较小的基因组片段上鉴定出86个可能不完整的基因簇。尽管它们在基因含量方面具有极大的多样性，但这些生物合成途径是可识别的。在疣微菌门，酸杆菌门和Rokubacteria中存在大量多样且稀疏联系的NRPS和PKS系统（图1d）。作者通过基因簇内抗性基因的存在可以判断该簇参与抗生素的产生关系。
图1 土壤基因组及其生物合成基因簇的多样性
这些生物中的每一种都含有超过900kb的基因，推断这些基因均参与次级代谢物的生物合成。利用酸杆菌基因组对核糖体蛋白质序列分析表明，Candidatus Angelobacter和Candidatus Eelbacter独立获得了独特的生物合成操纵子序列（图2a）。Candidatus Eelbacter基因组包含六个基因簇，它们是长度超过45kb的复合I型NRPS-PKS杂交系统（图2b）。从独立的土样中获得Candidatus Eelbacter的三个重复基因组，并共享相同的生物合成基因簇。实验的酸杆菌基因组特征暗示了由化学和毒素产生介导的异常生活方式。在具有任何基因表达水平的NRPS和PKS簇中检测到198个NRPS和PKS基因的表达，同时在研究的所有四种门类中均检测到NRPS和PKS基因簇的表达，并且在酸杆菌中检测到84个活性簇。数据集中分析后从7个基因组中鉴定了10个NRPS和PKS基因簇，其表达水平在修正实验中表现出时间依赖性（图3a）。Candidatus Angelobacter中几个基因簇的基因表达在底物添加后12-24小时中显着增加（图3a），作者发现Candidatus Angelobacter的几种生物合成基因的表达在时间上与核心核糖体基因的表达并不一致（图3b）。这些结果表明，Candidatus Angelobacter种群对水和底物的添加存在响应，并且在核心代谢基因表达增加后独立调节次级代谢物的基因表达。为了预测这些生物合成NRPS和PKS基因的生物学和生态学作用，作者对时间依赖性的7个基因进行了单独的共表达分析。在七个基因组中的四个发现了显着富集次级代谢物基因的共表达，作者发现所有四个次级代谢网络都由涉及转录的基因控制。Angelobacter种群同时表达了多个生物合成基因，表明其与生态竞争相关的协同反应。
图2 来自酸杆菌的生物合成NRPS和PKS基因位点
图3 生物合成基因的转录组学信息
作者发现了来自4个土壤细菌门类大量细菌基因组中次生代谢物合成的众多证据。虽然作者并不能准确的预测在此出现的生物合成基因或其基因产物的基本结构框架，但可知大部分已知聚酮化合物和非核糖体代谢物对微生物具有一定抗性。特定NRPS和PKS基因簇之间的转录关联，铁代谢调节剂和抗微生物抗性机制表明这些基因簇可能参与铁资源和抗生素的竞争。
实验的相关发现强调了基因组学技术在解析土壤生态系统研究中的实用性，并为研究未知基因的新型生物活性提供依据，也为探究潜在的生态和药物重要性开辟了道路。