Elucidating the Diversity and Potential Function of Nonribosomal Peptide and Polyketide Biosynthetic Gene Clusters in the Root Microbiome

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Dror B, Wang Z, Brady SF, Jurkevitch E, Cytryn E.

mSystems. 2020 Dec 22;5(6):e00866-20.

doi: 10.1128/mSystems.00866-20. PMID: 33361322; PMCID: PMC7762793.

Elucidating the Diversity and Potential Function of Nonribosomal Peptide and Polyketide Biosynthetic Gene Clusters in the Root Microbiome | mSystems
We identified distinct secondary-metabolite-encoding genes that are enriched (relative to adjacent bulk soil) and expressed in root ecosystems yet almost comple...

 土壌は非常に多様な生態系であり、線虫、節足動物、真菌、細菌など生物が無数に存在している。根圏は、根の滲出液や粘液の影響を直接受ける土壌の狭い領域である。この有機物と栄養素のホットスポットでは、周囲の土壌マイクロバイオームとは大きく異なる根圏マイクロバイオームを形成している。過去20年以上にわたり、いくつかの研究では、根圏マイクロバイオームの特定の微生物が植物の成長と発達を促進し、また全身抵抗性による土壌媒介性植物病原体の抑制とも関係している。これらの機能は多くの場合、根圏細菌が産生する膨大な数の二次代謝物によって促進され、これらは種間および種内相互作用において重要な役割を果たしている。

 多くの重要な土壌および根系細菌の二次代謝物は、それぞれ非リボソームペプチド合成酵素(nonribosomal peptide synthetase: NRPS)またはポリケチド合成酵素(polyketide synthase: PKS)によって生成される非リボソームペプチドまたはポリケチドである。これらは、しばしば50,000bpを超える大きな生合成遺伝子クラスター(biosynthetic gene cluster: BGC)にコードされている。これらのファミリーの酵素複合体は、保存されたドメインを用いて分子が反復的に組み立てられるという、同様の生合成ロジックに従っている。NRPSとPKSは、土壌や根圏生態系への細菌の適応、および植物の健康と発達に重要な役割を果たすと考えられている多種多様なシデロフォア、毒素、色素、および抗菌性化合物の合成に関与している。それらの生態学的および応用的(植物保護のための生物防除剤および新規抗菌化合物)な重要性にもかかわらず、根の生態系におけるNRPSおよびPKSの発生、多様性および動態、あるいは細菌間および植物細菌間の相互作用におけるそれらの役割については、ほとんど知られていない。

 土壌中での二次代謝物の役割と機能を探る上での大きな課題は、従来の方法では培養できない細菌が大半を占めており、これらの細菌や、それらが産生する代謝物の多様性、発現、機能を研究することが困難であることに起因している。培養技術の進歩にもかかわらず、土壌および根に関連する細菌を分離する能力は非常に制限されており、その主な理由は、これらの細菌の生育に必要な自然条件を模倣することが困難だからである。さらに、多くの細菌BGCは実験室条件下では発現しないため、それらがコードする代謝物を単離することは非常に困難である。

 上記の障壁を回避するために、NRPS と PKS をコードする土壌由来 BGC の組成を明らかにし、これらの合成酵素によって生成される代謝物の化学組成と構造を推測するために、培養に依存しないシーケンシングベースのオミックスツールが無数に開発されてきた。例えば、NRPSではアデニル化ドメインおよびPKSではケトシンターゼドメイン内の短い断片を標的とするために、アンプリコンシーケンシングに基づくアプローチが開発されてきた。これらのアンプリコンは、複雑な環境下でのバクテリアBGCの多様性と豊富さを確認するために使用することができる。なぜなら、アデニル化ドメインおよびケトシンターゼドメインの両方が、代謝物の組み立てや活性にとって重要であるからである。今日までに、いくつかの研究では、土壌中の細菌の二次代謝物をコードするBGCの多様性と組成を調査し、NRPSとPKS遺伝子の膨大な遺伝的多様性と新規性を実証している。しかし、根圏マイクロバイオームにおけるこれらの遺伝子ファミリーの分布についてはほとんど知られておらず、この複雑なコミュニティにおけるそれらの機能的役割は謎のままである。

 本研究では、根圏マイクロバイオームにおける二次代謝物をコードするBGCの多様性と発現を、培養に依存しないアンプリコンシークエンス、ショットガンメタゲノミクス、メタトランスクリプトームを用いて解析した。トマトとレタスの根は、隣接する土壌とは異なる組成のNRPSとPKSを保有しており、特定のBGCマーカーは根圏マイクロバイオームに豊富かつ高発現していた。このようにして得られた高頻度で発現している配列のいくつかは、既知のBGCと関連していたが、特徴的な遺伝子との類似性が低いことから、それらの新規性が示唆された。このような低類似性遺伝子を、土壌由来のコスミドライブラリーの大規模なセットに対してスクリーニングし、その中から機能未知の5つのBGC全体を抽出した。3つのクラスターは分類学的にActinobacteriaと関連していたが、残りのクラスターは既知の細菌とは関連していなかった。Streptomyces由来のBGCのうち、1つは抗真菌活性を持つポリエンをコードしていると予測されたが、他のBGCは新規すぎて化学構造を予測できなかった。一連のメタゲノムデータセットを用いてスクリーニングを行ったところ、根や土壌サンプルにおいて、クラスターがより多く存在していることが明らかになった。一方、水生環境や腸内環境ではほとんど見られなかったことから、根の生態系において重要な役割を果たしている可能性が示唆された。以上の結果から、根圏マイクロバイオームには未発見の二次代謝物のが存在していることが示唆された。

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