太平洋牡蛎来源Gallaecimonas pentaromativorans菌株10A基因组揭示具有卓越代谢潜力的环境广布属

《PLOS One》：The genome of Gallaecimonas pentaromativorans strain 10A, isolated from a Pacific oyster, sheds light on an environmentally widespread genus with remarkable metabolic potential

本研究报道了从经历大规模死亡事件的太平洋牡蛎中分离得到Gallaecimonas pentaromativorans新菌株10A，并完成其全基因组测序。基因组分析揭示了该菌株在芳香烃（PAHs）等外源物降解、生物表面活性剂合成、CRISPR-Cas防御系统及氮硫循环方面的遗传潜力。比较基因组学证实该属核心代谢功能保守，但菌株10A特有higBA毒素-抗毒素系统等基因。通过挖掘公共数据库，首次证实Gallaecimonas属在海水、沉积物等环境中广泛分布。该研究为开发新型生物修复剂及理解微生物环境适应性提供了重要基因组资源。

　　

引言

Gallaecimonas属（γ-变形菌纲）细菌以其降解多环芳烃等外源化合物的能力而闻名，在生物修复和生物技术领域具有重要价值。然而，目前该属仅有四个已描述的物种，其生态分布尚未得到系统研究。本研究首次从加拿大不列颠哥伦比亚省发生大规模死亡事件的太平洋牡蛎中分离到一株Gallaecimonas pentaromativorans新菌株10A，并对其进行了完整的基因组表征和比较基因组学分析，旨在阐明该菌株的遗传潜力和该属的生态分布。

材料与方法

细菌分离与培养条件

菌株10A分离自太平洋牡蛎组织匀浆，使用CPM-24和MLB-24培养基进行纯化培养。通过软琼脂穿刺实验证实其具有运动性。

透射电子显微镜观察

采用戊二醛固定和醋酸铀染色，在Tecnai Spirit透射电子显微镜下观察菌体形态，显示其为杆状，长约2μm，宽约0.5μm，并疑似存在极生鞭毛。

基因组DNA提取、测序与组装

通过Illumina和Nanopore技术进行混合测序，使用Unicycler进行混合组装，获得一个大小为4,322,156 bp的环状染色体。CheckM评估显示基因组完整度为99.82%，污染率为0.00%。

分类学鉴定与系统发育分析

利用Kaiju、CAT、MetaErg、NCBI PGAP和GTDBtk等多种工具进行物种鉴定。基于16S rRNA基因和全基因组序列构建系统发育树，确认菌株10A与G. pentaromativorans物种成员亲缘关系最近。

基因预测、注释与可视化

使用NCBI PGAP进行基因预测，并通过eggNOG-mapper进行功能注释。利用Proksee和FuncTree可视化基因组特征。使用CRISPRCasFinder鉴定CRISPR-Cas系统。

Gallaecimonas基因组比较分析

对五个Gallaecimonas菌株进行泛基因组分析，比较核心基因和特有基因。使用eggNOG-mapper注释结果进行基因家族、KEGG通路等特征的比较。

Gallaecimonas的生态分布

从全球生物多样性信息设施（GBIF）数据库获取16S rRNA基因序列数据，分析该属在不同环境和纬度下的分布情况。

结果

菌株10A的分离与形态观察

Gallaecimonas pentaromativorans菌株10A在MLB-24平板上形成圆形、凸起、无色透明的菌落。透射电镜显示其为杆状，具有运动性。

菌株10A的基因组特征

菌株10A的基因组大小为4,322,156 bp，GC含量为58.3%，编码3,928个蛋白质编码序列（CDS）、18个rRNA、86个tRNA和4个ncRNA。功能注释揭示了其参与多种代谢过程的潜力。

Gallaecimonas基因组的比较分析

泛基因组分析显示，五个菌株共有5,562个基因，其中核心基因（所有菌株共享）占38.1%。菌株10A特有166个基因，涉及147个蛋白质家族，包括一个独特的higB-1/higA-1毒素-抗毒素系统。与其他Gallaecimonas成员一样，菌株10A预测具有降解多环芳烃等外源化合物、产生生物表面活性剂、同化硝酸盐和硫酸盐的途径。在四个Gallaecimonas物种的三个中检测到CRISPR-Cas系统，菌株10A拥有一个I-E型CRISPR-Cas系统，带有95个间隔序列。

Gallaecimonas的全球分布

对GBIF数据库的分析表明，Gallaecimonas属的16S rRNA基因序列广泛分布于全球海水、沉积物等多种生境中，其中74.83%的样本来自海洋环境。

讨论

菌株10A具有降解多环芳烃和外源化合物的遗传潜力

基因组分析发现菌株10A编码多个与多环芳烃降解相关的基因，如catA、pcaJ、pcaF等，表明其具有参与生物修复的潜力，尽管典型的起始双加氧酶（如nahA）尚未被发现。

菌株10A是潜在的生物表面活性剂生产者

基因组中预测存在参与磷脂、脂肪酸和糖脂合成的基因，以及群体感应、生物膜形成和鞭毛组装等调控通路，共同支持了其产生生物表面活性剂的能力。

菌株10A表现出代谢多样性

保守的核心基因涉及细胞生长、柠檬酸循环、氨基酸代谢等基本过程。特有的基因和通路，如甲醇氧化、完整的硝酸盐同化和硫酸盐还原途径，预示其在碳、氮、硫循环中可能扮演重要角色。

预测的higBA应激反应毒素-抗毒素系统

菌株10A特有的higBA II型毒素-抗毒素系统可能有助于其应对环境压力，并在生物膜形成和群集运动等过程中发挥作用。

Gallaecimonas属成员中的CRISPR-Cas系统

在Gallaecimonas多个物种中鉴定出CRISPR-Cas系统，特别是菌株10A的I-E型系统具有丰富的间隔序列，表明其具有防御外源遗传元件（如病毒）的历史。

菌株10A在形态上与其他Gallaecimonas菌株相似

菌株10A为杆状、能运动，与其他Gallaecimonas物种报道的形态特征一致。基因组中还预测存在IV型菌毛合成基因，可能与其运动、附着和生物膜形成有关。

Gallaecimonas属成员在环境中广泛分布

环境序列数据证实Gallaecimonas属成员分布于从极地到赤道的多种环境中，包括海水、沉积物、土壤等，显示了其强大的环境适应能力。

结论

本研究完成了Gallaecimonas pentaromativorans菌株10A（首例从动物宿主太平洋牡蛎中分离的该属菌株）的基因组测序和分析。比较基因组学和生物地理学分析揭示了该属巨大的代谢潜力和广泛的环境分布。菌株10A基因组中预测的与多环芳烃降解、生物表面活性剂生产、CRISPR-Cas防御及相关代谢途径相关的基因为其潜在的生态和生物技术应用提供了遗传基础，但这些功能预测仍需实验验证。未来研究需要明确菌株10A在牡蛎死亡事件中的作用及其在自然生态系统中的具体功能。