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拟孢囊菌属的基因组研究概况及展望
北纳生物 2019-05-24

<微生物>

3 拟孢囊菌属的基因组研究概况

截止2018年8月,GenBank的Genome数据库和JGI的Genome Portal数据库共收录了5株拟孢囊菌的基因组序列,其中对其次级代谢生物合成基因簇分析报道的是K. phytohabitans KLBMP 1111T和Kibdelosporangium sp. MJ126-NF4,由本实验室报道的K. phytohabitans KLBMP 1111T菌为完成图。菌株K. phytohabitans KLBMP 1111T基因组序列组装显示,染色体总长度为11759770 bp,有9个rRNAs,73个tRNAs,G+C%含量为68.4%,预测出10205个蛋白编码基因以及大量的调控基因。antiSMASH (3.0.4版本)基因组注释预测显示共含有47个天然产物生物合成基因簇,包括5个非核糖体肽合成酶(NRPS)基因簇,5个Ⅰ型、1个Ⅱ型和2个Ⅲ型聚酮类合成酶(PKS)基因簇,7个NRPS/PKS杂合基因簇。同时其基因组上也发现了植物生长调节剂玉米素、铁载体、ACC脱氨酶生物合成基因,以及纤维素酶、几丁质酶和木聚糖酶等水解酶编码基因,间接证明了该菌株的植物生长促进潜能。另一株产生Ⅱ型聚酮类新颖结构抗生素azicemicins的菌株Kibdelosporangium sp. MJ126-NF4基因组分析含有10999个蛋白编码基因,7个rRNAs,63个tRNAs,22个PKS和NRPS类天然产物合成基因簇,包括抗生素azicemicin的生物合成基因簇。基因组研究表明,拟孢囊菌属成员具有丰富的次生代谢产物合成基因簇,具有产生多种活性化合物的潜能。

4 展望

拟孢囊菌属成员是一类重要的资源微生物,过去的几十年研究在该属的抗生素类活性次生代谢产物发现方面已经有惊喜的发现和深入的研究,证明了该属是发现结构新颖、活性独特的新型抗生素的重要来源。此外,广泛的生境来源也显示着该属成员在其他方面的生态功能,如生物降解功能和植物内生菌的促生功能等,显示了该属菌株在生态环境保护与植物生长促进与逆境保护领域的广阔应用潜力。由于该属的菌株生长较为缓慢,目前报道的纯培养菌株还较少,而新菌株的发现将大大提高发现新的次级代谢产物与新功能的概率。因此,未来应该尝试并建立更多新的分离培养方法与策略。在后续的菌种资源发掘过程中,可从拟孢囊菌属菌株的生理学特点出发,设计新的分离方案、优化分离方法,如利用聚乳酸作为唯一碳源的富集培养基进行分离,植物材料可以通过模拟植物体内微环境来设计培养基。一些新的分离技术方法也可以尝试,如基于微流控技术的微生物单细胞分离方法,可以大大提高环境中未培养微生物的可培养概率。此外,分析样品16S rRNA基因高通量测序的结果,再根据环境样品特点设计分离条件,可以提高该属菌株的分离培养效率。

基因组学研究显示拟孢囊菌基因组中存在大量参与NRPS、PKS和其他类型次级代谢产物合成的基因簇,以及一些未知功能的基因。后续工作,我们可以利用后基因组时代快速发展起来的基因组挖掘(genome mining)技术、异源表达、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术来激活拟孢囊菌基因组中的“沉默”基因簇,并结合现代高通量筛选技术,充分挖掘拟孢囊菌基因组中的基因资源,从而发掘更多该属的活性天然产物。总之,新的微生物纯培养方法的发展,以及更多拟孢囊菌属菌株基因组信息的获得,将为拟孢囊菌属资源的收集、生态分布与生态功能的认识及其开发与利用提供新的契机。

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