揭示来自罗非鱼池塘沉积物的Streptomyces rubrogriseus RKDTS3菌株的土臭素合成基因蓝图、次级代谢途径及其功能基因组分析

《Computational Biology and Chemistry》：Unveiling the genetic blueprint of geosmin synthesis, secondary metabolite pathways, and functional genome analysis of Streptomyces rubrogriseus RKDTS3 from tilapia fish pond sediment

该研究测序了印度 Tamil Nadu 湾的淡水鱼塘沉积物中分离的 Streptomyces rubrogriseus RKDTS3 菌株，发现其携带21个生物合成基因簇，其中包含产生地西林的萜类生物合成基因簇。比较基因组分析表明，该菌株具有核心基因组及高度可变的辅助基因组，反映其生态适应性。基因簇注释显示其具备合成萜类、多酮体、非核糖体肽配体等次级代谢产物的潜力，并验证了地西林生物合成途径的保守性和功能性。

　　

Ramakrishnan Govindharaj Kumar | Dhanasekaran Dharumadurai

印度泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利巴拉蒂达桑大学生命科学学院微生物学系

摘要

像土臭素（geosmin）和2-甲基异波萝烯（2-methylisoborneol，MIB）这样的异味化合物在淡水水产养殖中存在经济和感官上的问题。尽管“土臭素”是由某些生活在湖底沉积物中的链霉菌（Streptomyces）物种产生的，但我们对这种产生的遗传基础或生物合成前体知之甚少。因此，我们对最初从印度泰米尔纳德邦的一个罗非鱼池塘沉积物中分离出的链霉菌（Streptomyces rubrogriseus，简称RKDTS3）的草图基因组进行了测序，以识别参与产生土臭素和其他次级代谢产物的基因。Illumina MiSeq生成的RKDTS3草图基因组包含5.32 Mb的序列信息，GC含量为71%，包含6129个蛋白质编码基因、61个tRNA基因和一个rRNA操纵子。该基因组的注释显示了大量与生物合成途径（以及应激环境适应）相关的代谢基因。其中包含21个生物合成基因簇（BGCs），用于产生各种萜类化合物、聚酮类化合物、非核糖体肽配体（NRPBs）、核糖体肽配体（RiPPs）和铁载体化合物。通过搜索产生土臭素的生物合成簇并编码geoA基因，我们发现了一个包含KO K10187的BGC，使用KofamKOALA确定了这一点，并提供了强有力的证据表明土臭素的生物合成途径是保守且具有功能的。对链霉菌菌株的比较显示有1994个核心BGCs，以及一个高度可变的辅助基因组，后者已经适应了各种生态环境。该菌株还获得了多个CRISPR基因组的拷贝、三个质粒和一个不完整的噬菌体，表明它经历了水平基因转移，并发展出了防御噬菌体的机制，具有动态的基因组。总体而言，基因组分析揭示了一个富含GC的草图基因组，其中编码了21个生物合成基因簇，包括一个负责土臭素生物合成的保守的geoA基因簇，以及一个高度可变的辅助基因组，反映了比较基因组学中的生态适应。

引言

在其他基于微生物的测序技术之前，草图基因组序列已经被用于一些微生物研究；这项技术的进步使其成为一种非常强大、有效且高效的工具，可以全面研究放线菌基因组的许多特征。与其他依赖于标记基因、系统发育树和DNA序列数据的方法不同，参与微生物次级代谢产物合成和其他代谢适应的功能基因无法直接通过标记基因识别。因此，草图基因组技术为通过基因组预测放线菌功能提供了最坚实的基础。次级代谢产物在放线菌基因组范围内进行筛选。因此，研究人员越来越多地将这种方法与高通量注释方法结合使用。例如，Lodi等人（2025年）表明，草图基因组测序结合系统注释方法可以提供有关产生次级代谢产物的代谢途径和基因簇的见解。草图基因组方法为研究具有大型富含GC基因组的放线菌提供了极好的机会，这些基因组通常编码复杂的生物合成系统，如果没有全面的基因组分析则难以研究。

在淡水水产养殖中，尤其是罗非鱼养殖中，土臭素的污染具有重要的经济后果。由于土臭素具有亲脂性，它很容易被鱼类组织吸收和储存，导致异味，从而降低市场价值（Tucker，2000年）。由于传统的水处理方法往往无法消除土臭素，因此在水产养殖管理中控制土臭素的微生物来源已成为优先事项（Ziemert等人，2016年）。确定和理解参与链霉菌中土臭素生物合成的基因对于制定鱼类养殖中异味问题的微生物控制措施至关重要。

微生物次级代谢产物的扩展，特别是由放线菌产生的那些，正在污染和破坏全球的淡水栖息地，并影响其美观。这些高GC含量的革兰氏阳性细菌是生物活性化合物（如抗生素、酶和挥发性有机化合物（VOCs）的丰富生产者（Barka等人，2016年；Genilloud，2017年）。其中，链霉菌属（Streptomyces）是次级代谢产物的主要生产者，并因其多样的生物合成潜力而被广泛研究。链霉菌产生的最令人不快的次级代谢产物之一是土臭素（trans-1,10-二甲基-trans-9-癸醇），这种双环醇是淡水湖泊、水产养殖池塘和饮用水储水池中常见的土腥味的原因（Jüttner & Watson，2007年）。

历史上，链霉菌仅被认为是土壤细菌；新的发现表明，陆地微生物可以通过陆地径流进入淡水生态系统。使用定量PCR（qPCR）的研究表明，来自土壤的细菌细胞可以在储水池的沉积物中保持活跃生长状态，而不仅仅以非活性孢子的形式存在（Hermans等人，2020年）。水文连通性研究表明，陆地细菌可以通过溪流和河流以及径流中的沉积物传播。一旦它们到达水生环境，就可以与其他水生微生物群落融合（Le等人，2016年；Caillon等人，2021年）。这种陆地生物和有机物质向淡水系统的迁移可以通过改变细菌产生次级代谢产物的途径来影响水生微生物群的组成和潜在功能（Dodds等人，2020年）。

土臭素污染已成为水务公司和水产养殖行业的主要问题，不是因为它的毒性，而是因为它的嗅觉阈值非常低（低至10 ng/L或十亿分之一），以及它给消费者带来的负面感官体验（S. B. Watson，2003年；Antonopoulou等人，2014年）。关于土腥味和2-甲基异波萝烯（MIB）引起的抱怨仅次于对处理过的水中余氯的抱怨（Zaitlin & Watson，2006年）。土臭素是通过一种新的萜类生物合成途径产生的，该途径由法尼基焦磷酸（farnesyl pyrophosphate，FPP）启动。这是通过酶促转化为 Germacradienol，随后经过 retro-Prins 型断裂和随后的环重排产生土臭素。Bentley在20世纪80年代的早期生化研究提出了其倍半萜起源（Bentley & Meganathan，1981年）。

微生物VOC产生的复杂性体现在发现了一种双功能土臭素合成酶上，这种酶由geoA基因转录并催化这两个反应（Xu和Dickschat，2023年；Watson和Jüttner，2019年）。传统上认为链霉菌在水生生态系统中的存在是由于来自陆地栖息地的径流，特别是在暴雨期间或水位下降时，暴露的沿海沉积物和土壤仍然存在于海岸线附近（Gerber & Lechevalier，1965年）。最近的研究表明，至少某些链霉菌物种可以在水生沉积物栖息地中存活并保持代谢活性，尤其是在有氧条件下（Protasov等人，2020年；Ribeiro等人，2023年）。因此，栖息在沉积物中的链霉菌可以成为鱼类养殖环境中土臭素的持续来源。

本研究展示了来自淡水鱼塘沉积物的链霉菌（Streptomyces rubrogriseus）RKDTS3的基因组和代谢潜力。随后对RKDTS3进行了草图基因组测序和功能分析，以探索土臭素的生物合成机制，并阐明生物合成基因簇和放线菌在鱼塘沉积物环境中的适应作用。

部分内容

从罗非鱼塘沉积物中收集和分离放线菌

我们从印度泰米尔纳德邦Thanjavur的Ayyappan鱼场的罗非鱼塘中采集了一个样本（坐标：NL: 10 49 44", EL 79 08 09"）。我们在2023年12月的清晨从罗非鱼塘中收集了沉积物。这些样本被小心处理并用冰袋运输到实验室，最终放置在蒂鲁奇拉帕利巴拉蒂达桑大学微生物学系的生物过程技术实验室中4°C的环境下。样本被均质化、连续稀释后...

鉴定链霉菌（Streptomyces rubrogriseus）RKDTS3

链霉菌RKDTS3菌株最初是根据其形态学和培养特性进行鉴定的（图1A）。在SCA培养基上，该菌株产生了干燥、粉状至灰白色的菌落，具有明显的空中菌丝和灰白色至淡粉色的颜色。菌落外观坚韧且有皮革质感，在有条纹的部分有密集的孢子形成。显微镜观察显示，该菌株具有分枝广泛的丝状生长和螺旋形孢子...

讨论

对链霉菌RKDTS3进行的草图基因组测序提供了一些关于其遗传结构和潜在代谢能力的信息。该菌株的基因组大小接近5.32 Mb，GC含量为71%，具有一些典型的链霉菌特征，通常是大型线性或环状染色体，GC含量高，代谢能力多样（Bentley等人，2002年；Mitra，2014年）。此外，它还包含6129个蛋白质编码基因、61个tRNA基因以及一个rRNA...

结论

本研究基于草图基因组对从罗非鱼塘沉积物中获得的链霉菌RKDTS3进行了表征。使用Illumina测序平台，我们生成了一个大小为5.32 Mb（GC含量71%）的片段化草图基因组，表明该基因组仅反映了部分覆盖情况，并不代表最终组装结果。草图基因组的注释推断出与中心代谢、应激反应和次级代谢相关的多样化代谢能力...

伦理批准

不适用

未引用的参考文献

(Thajuddin等人，2025年；Urem等人，2016年；Zhuang等人，2025年)

资助

本研究未获得任何资助机构的特定资助。

CRediT作者贡献声明

Dhanasekaran Dharumadurai：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、调查。Ramakrishnan Govindharaj Kumar：撰写 – 原始草稿、验证、软件、方法学、调查、正式分析、数据管理。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了Write Wise/Paraphrase工具来改进写作和语言风格。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

第一作者感谢巴拉蒂达桑大学研究基金会提供的大学研究奖学金（URF）（编号002195/URF/DIR-RES/2023，日期2023年7月4日）以及Rashtriya Uchchatar Shiksha Abhiyan (RUSA)-2. O 生物科学（TN RUSA: 311/RUSA (2.0)/2018，日期2020年12月2日），BECH RUSA（Bech/Seed/PG/BS/MIC/ 01/BDU/ 日期2022年12月6日）。我们也感谢首席部长研究基金（CMRG）对研究的财政支持...