新型海洋细菌Pseudoxanthomonas sp. JC1303中纤维素降解的基因组结构与转录调控

《Molecular Genetics and Genomics》：Genomic architecture and transcriptional regulation of cellulose degradation in the novel marine bacterium Pseudoxanthomonas sp. JC1303

微生物降解纤维素是驱动全球碳循环的基础过程，但海洋环境中相关基因组的分子机制仍不明确。本研究通过分离海洋沉积物中的新型菌株JC1303，结合全基因组测序和转录组分析，系统解析了其纤维素降解酶系及代谢适应性。基因组显示其具有4.37 Mb环状染色体（GC含量67.41%），与Pseudoxanthomonas属亲缘关系密切，属内泛基因组分析显示3%核心基因保守，而JC1303独有936个基因显著富集于代谢（163个）和信号转导（138个）。功能基因组学发现其完整纤维素降解系统包含3种内切β-1,4-葡萄糖苷酶、2种纤维素酶和4种β-1,4-葡萄糖苷酶，并伴随糖酵解/生糖作用、三羧酸循环等代谢通路。转录组学证实关键酶基因（如JC1303_01352）和膜转运蛋白基因在纤维素诱导下显著上调，揭示胞外水解与高效底物摄取的协同机制。研究成果为海洋纤维素降解微生物的遗传解析和生物催化工程提供理论依据。

　　

摘要

微生物对纤维素的降解是一个驱动全球碳循环的基本过程，其在可持续生物技术领域具有巨大潜力；然而，海洋环境中这种能力的基因组机制和转录调控机制仍很大程度上尚未被探索。为了揭示这些复杂的生物学策略，我们从海洋沉积物中分离出了新型菌株JC1303，并结合全基因组测序和转录组分析，系统地研究了其酶谱和代谢适应性。全基因组测序显示，JC1303菌株拥有一个长度为4.37 Mb的环状染色体，GC含量为67.41%。基于16 S rRNA基因和全基因组数据的系统发育分析表明，JC1303菌株可能属于Pseudoxanthomonas属的一个新物种。对该属的泛基因组分析显示其具有典型的“开放”基因组结构，仅有3%的核心基因得到保守，这突显了其高度的进化可塑性。相比之下，JC1303菌株拥有936个在代谢（163个基因）和信号转导（138个基因）方面显著富集的独特基因，为其适应纤维素降解环境提供了分子基础。基因组挖掘发现了一个完整的纤维素降解系统，包括三种内切β-1,4-葡聚糖酶、两种纤维素酶和四种β-1,4-葡糖苷酶，这些酶的活性得到了糖酵解/糖异生、三羧酸循环、戊糖磷酸途径、氨基酸合成途径、ABC转运系统以及呼吸链的支持。关键的是，纤维素诱导条件下的比较转录组分析验证了这些遗传潜能的功能实现。在1465个差异表达基因中，该菌株表现出一种协调的策略：虽然某些同工酶的表达下调，但一个关键的内切葡聚糖酶基因（JC1303_01352）和多个膜转运基因显著上调。这表明存在一种将细胞外水解与高效底物摄取相结合的特定机制。总之，本研究不仅阐明了新型海洋纤维素降解菌株Pseudoxanthomonas JC1303的遗传蓝图和转录调控机制，还为工程化开发高效生物催化剂提供了理论支持。

微生物对纤维素的降解是一个驱动全球碳循环的基本过程，在可持续生物技术领域具有巨大潜力；然而，海洋环境中这种能力的基因组机制和转录调控机制仍很大程度上尚未被探索。为了揭示这些复杂的生物学策略，我们从海洋沉积物中分离出了新型菌株JC1303，并结合全基因组测序和转录组分析，系统地研究了其酶谱和代谢适应性。全基因组测序显示，JC1303菌株拥有一个长度为4.37 Mb的环状染色体，GC含量为67.41%。基于16 S rRNA基因和全基因组数据的系统发育分析表明，JC1303菌株可能属于Pseudoxanthomonas属的一个新物种。对该属的泛基因组分析显示其具有典型的“开放”基因组结构，仅有3%的核心基因得到保守，这突显了其高度的进化可塑性。相比之下，JC1303菌株拥有936个在代谢（163个基因）和信号转导（138个基因）方面显著富集的独特基因，为其适应纤维素降解环境提供了分子基础。基因组挖掘发现了一个完整的纤维素降解系统，包括三种内切β-1,4-葡聚糖酶、两种纤维素酶和四种β-1,4-葡糖苷酶，这些酶的活性得到了糖酵解/糖异生、三羧酸循环、戊糖磷酸途径、氨基酸合成途径、ABC转运系统以及呼吸链的支持。关键的是，纤维素诱导条件下的比较转录组分析验证了这些遗传潜能的功能实现。在1465个差异表达基因中，该菌株表现出一种协调的策略：虽然某些同工酶的表达下调，但一个关键的内切葡聚糖酶基因（JC1303_01352）和多个膜转运基因显著上调。这表明存在一种将细胞外水解与高效底物摄取相结合的特定机制。总之，本研究不仅阐明了新型海洋纤维素降解菌株Pseudoxanthomonas JC1303的遗传蓝图和转录调控机制，还为工程化开发高效生物催化剂提供了理论支持。