研究内容简介

稀有放线菌是结构多样且生物活性丰富的天然产物的重要来源。Allokutzneria (异库茨涅尔氏菌属)和 Kibdelosporangium (拟孢囊菌属)是两个在系统发育上关系密切的稀有放线菌属，且被报道编码产生了一些高价值的生物合成酶和次级代谢产物。系统研究稀有菌属特有次级代谢潜力有助于新颖天然产物的定向发现。本文重点分析了Allokutzneria和Kibdelosporangium两个菌属的属特异性次级代谢潜力，利用非靶标代谢组学技术验证了这两个属的代表菌株次级代谢产物组的特异性，并采用质谱导向的分离纯化策略从Allokutzneria属菌株中获得了两个特有的次级代谢产物。相关内容以“Genus-specific secondary metabolome in Allokutzneria and Kibdelosporangium”为题发表在Synthetic and Systems Biotechnology期刊上。

本研究图表摘要

图 1. Allokutzneria和Kibdelosporangium属菌株的基因组特征, 基因组之间的ANI值和生物合成基因簇的组成情况。

作者首先对Allokutzneria和Kibdelosporangium属菌株的基因组特征进行了分析，与Kibdelosporangium的基因组相比，Allokutzneria的基因组大小较小，编码的基因数量也较少，而 GC 含量却高于Kibdelosporangium (图1)。Allokutzneria属的基因组序列之间的ANI超过 86%，Kibdelosporangium属的ANI在 76%以上，而这两个不同属的基因组之间的相ANI在 70%-71.5% 之间，这些发现进一步证实了Allokutzneria是一个有别于Kibdelosporangium的独立菌属。这两个菌属的高质量基因组编码的生物合成基因簇(BGCs)总数在46-56之间，NRPS、PKSI和 Terpene 是 Allokutzneria 菌属基因组中最主要的三类 BGCs类别，而 RiPPs 、NRPS 和 Terpene 是 Kibdelosporangium 菌属基因组中最主要的三类 BGCs类别，表明它们在合成肽类天然产物方面的巨大潜力。

Figure 2. Allokutzneria和Kibdelosporangium属编码的生物合成基簇的序列相似性网络图。每个节点代表一个生物合成基因簇，灰色符号代表MIBiG数据库中的生物合成基因簇。分布在同一簇内但属于不同GCF (生物合成基因簇家族)的生物合成基簇通过背景颜色进行了区分。热图显示了这两个属中不同类别的仅含有一个生物合成基簇的GCF的数量。

利用 BiG-SCAPE 对这两个菌属的高质量基因组编码的553个BGCs的多样性和新颖性进行了分析。结果表明，在0.5的阈值下只有14个GCFs包含 MIBiG数据库中的BGCs，这意味着95.4%的GCFs还未被鉴定。74 个 GCFs是Allokutzneria 菌属所特有的，227个GCFs是 Kibdelosporangium 菌属所独有的，仅 3 个GCFs是它们共有的，这表明Allokutzneria 和 Kibdelosporangium 在次级代谢潜力方面具有显著的属特异性。

Figure 3. A. albata JCM 9917 and K. phytohabitans KLBMP1111在九种培养基和六种诱导剂下的次级代谢产物谱的主成分分析结果。

非靶标代谢组学分析结果表明Allokutzneria albata JCM 9917和Kibdelosporangium phytohabitans KLBMP 1111产生的次级代谢物谱之间存在显著差异(Adonis R2=0.13，p<0.001), 代谢物谱也受到培养基(Adonis R2=0.24，p<0.001)和化学诱导剂(Adonis R2=0.1，p<0.001)的显著影响。其中样品5E (在链霉素和三甲氧苄氨嘧啶诱导下于 JCMM 42 培养基中培养)的产物谱最为特异。

Figure 4. A. albata JCM 9917中一组特异性次级代谢产物的发现、鉴定、生物合成机制和活性研究。

作者利用分子网络注释平台分析发现A. albata JCM 9917的5E样品中极有可能含有一系列羟肟酸型嗜铁素类天然产物，而它们应为Allokutzneria属编码的一个特有GCF编码合成的。随后作者采用质谱导向的分离纯化策略从该菌株中鉴定了一种新型嗜铁素N-deoxy arthrobactin A (1)和已报道的嗜铁素Arthrobactin (2)。生物信息学分析确定了它们生物合成过程中的关键合成酶。本研究为有针对性地从Allokutzneria 和 Kibdelosporangium 属中发现种属特异性天然产物奠定了重要基础，为微生物天然产物的定向发现提供了新的见解。

Genus-specific secondary metabolome in Allokutzneria and Kibdelosporangium

Man-Jing Ma, Wen-Chao Yu, Huai-Ying Sun, Bing-Cheng Dong, Gang-Ao Hu, Zhen-Yi Zhou, Yi Hua, Buddha Bahadur Basnet, Yan-Lei Yu, Hong Wang, Bin Wei

Synthetic and Systems Biotechnology是高质量国际开放获取期刊，创刊于2016年。期刊覆盖合成生物学、系统生物学以及生物医药等领域。期刊现已被SCIE、EMBASE、PubMed Central、Scopus、CSCD等重要数据库收录。

• 2022 Impact Factor: 4.8; 位于JCR Biotechnology & Applied Microbiology Q1区

• 2022 CiteScore: 6.4

• 位于《2023年中国科学院文献情报中心期刊分区表》生物学大类2区

• 入选2019年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目