新型土壤微生物组具有多样化的次生代谢产物生物合成基因

针对加利福尼亚北部草原土壤开展宏基因组测序组装，重构了四大类土壤主要微生物类群的基因组草图，获得了149个酸杆菌门（Acidobacteria），135个疣微菌门（Verrucomicrobia），43个 Rokubacteria和49牙单胞菌（Gemmatimonadetes）的物种基因组草图 （下图a）。从这些重构的基因组种，确定了1159个生物合成基因簇位于10kb以上长度的contigs上，另有约440个生物合成基因簇位于小contigs上（下图b）。这些生物合成基因簇主要为合成非核糖体肽NRPs, 聚酮化合物，萜类，细菌素，多态和一些未知功能的代谢物。由于重构了环境中单菌的基因组近完成图，我们就可以描述在个体及环境基因组中这些生物合成基因簇的基因组特征，系统进化及生态。

在NRPs及聚酮化合物PKSs中有很多为抗生素，抗真菌药，免疫抑制剂及铁载体。所以研究特别关注了在四种常见土壤微生物中，这两大类生物合成基因簇的分布（上图c），尽管这些合成簇在基因构成上具有较高的多样性，但由于其保守的酶结构域得以区分。这些合成粗主要分布于酸杆菌门类，但也有11个NRPs簇存在于Rokubacteria.即环境中不同类型微生物之间会共存一些核心生物合成的可能。通过network,研究者分析了生物合成簇基因簇之间的共有基因（上图d），生物合成簇之间多有共享基因，但三型PKSs则虽广泛存在不同的物种内，但是一个高度保守的基因簇。

通常情况下抗生素的产生者也都会携带抗生素抗性以避免自身毒害，并且这些抗性基因一般与抗生素合成基因簇共定位在基因组上。因此，抗生素抗性基因的存在一般也意味着有生物合成簇基因的存在。利用这个原理，采用隐马模型定位NRPs和PKSs的生物合成簇座位。研究中分析了两个具有异常大NRPs/PKSs的菌株（C. Eelbacter和C. Angelobacter）的基因簇座位，发现C. Eelbacter基因组大小7Mb，含有17个合成簇座位74个，全长共计404Kb；C. Angelobacter基因组大小6.5Mb，含有16个合成簇座位54个NRP/PKS相关簇，全长325Kb。两者获得各自功能的时期不同（下图a），但都有超过900Kb的基因与次生代谢合成有关。

为研究土壤长期干旱后土壤中水分和养分释放后的强烈生物反应。实验设计了宏转录组研究，探究给与水分，甲醇，葡萄糖之后24h内这些生物合成簇的基因表达。全部研究数据中，7个基因组中的NRPs及/或PKSs基因簇在实验全程出现随时间变化的表达（下图a），尤其是在作用12-24h位点变化显著（念珠菌）。多种生物合成基因与核心核糖体基因表达不同（下图b），表明念珠菌中次生代谢物合成过程是独立调节的。利用WGCNA方法，对共表达基因进行network分析，共同表达的基因通常具有共同的生物学功能和调节功能。