泛基因组学指导下的拟无枝酸菌属分子分类学模型构建及重要次生代谢产物挖掘

Amycolatopsis, a genus of rare Actinobacteria, was reported to produce over 100 kinds of bioactive metabolites with either antimicrobial or antitumor activity. The taxonomic position of Amycolatopsis had been changed from original Streptomyces to later Nocardia, and finally classified as Genus Amycolatopsis within the family Pseudonocardiaceae. How many biological characteristics were associated with the ability for Amycolatopsis producing diverse secondary metabolites, and whether these characteristics were shared by all the Amycolatopsis, remained unclear. This research subject planned to study the phylogenetic/taxonomic characteristics of Amycolatopsis, and discovered the genetic and molecular basis of Amycolatopsis producing secondary metabolites based on pan-genome analysis and experimental validation. Through comparative genomics inter- and intra- genus, we aimed to identify molecular genetic markers unique for Amycolatopsis taxonomy and construct a model of molecular taxonomy definition. Meanwhile, we aimed to construct a database of gene clusters for secondary metabolites in Amycolatopsis. Based on the molecular taxonomy model and the database, we would compare the structure and components of secondary metabolite gene clusters in different Amycolatopsis species, and draw a conclusion for Amycolatopsis evolution and classification. Our final purpose was to reveal new gene elements associated with secondary metabolism and explore important secondary metabolites in Amycolatopsis.

拟无枝酸菌属是一类稀有放线菌，据报道能产生一百多种抗细菌、抗肿瘤的生物活性物质。该属菌种的分类地位经历了从链霉菌属到诺卡氏菌属，再到假诺卡氏菌科拟无枝酸菌属的多次变更。拟无枝酸菌属如此多产次生代谢物的能力与哪些生物学特性有关，这些特性是否由这一类系统发育地位的菌株所共有，是否还产生其他未知的重要次生代谢产物，我们尚不清楚。本项目计划以目前还未引起足够重视的拟无枝酸菌属为研究材料，采用泛基因组学分析与实验验证相结合的办法，研究其系统发育分类地位及合成次生代谢产物的分子遗传基础。通过属内和属间的基因组比较，鉴定出拟无枝酸菌属特异的分子分类学标记，构建该属的分子分类学模型；同时构建拟无枝酸菌属的次生代谢产物合成基因簇数据库平台，结合分子分类学模型，通过比较该属不同物种之间相似基因簇的结构和组成差异，分析其在进化、分类上的规律，鉴定一批具有新功能的次生代谢合成相关基因元件，挖掘重要的次生代谢产物。

拟无枝酸菌属是一类稀有放线菌，能产生一百多种抗细菌、抗肿瘤的生物活性物质。本项目从整理拟无枝酸菌属的所有已知菌株信息开始，选择了具有明确的生物学功能，且未被测序的19株代表性菌株，分别进行了细菌培养，生理生化指标的鉴定等工作；然后通过高通量测序，获得了19株代表性菌株的基因组草图，并对其中9株构建了完成图；加上已有的其它5株拟无枝酸菌属的基因组，共对24株拟无枝酸菌属内的基因组进行了泛基因组学分析，以及与其它放线菌的比较基因组学分析,以研究其系统发育分类地位及合成次生代谢产物的分子遗传基础。.整理完成了全部的拟无枝酸菌属的生理生化特征，建立了拟无枝酸菌属生理生化特征库，包括菌株的生长速度、菌落颜色、细胞壁成分、细胞膜组成、产生抗生素种类等。.在基因组水平上鉴定出了对应这些表型分类的特异分子分类学标记。发展了利用细胞膜成分磷酯和甲基萘醌的合成基因进行分子分类，并整合细胞壁中合成阿拉伯糖，甘氨酸，二氨基庚二酸，以及分支酸的相关关键基因，一起发展了放线菌中进行基因组分子分类的新方法－molecular chemotaxonomic characteristics (MCCs)，在此基础上，初步构建了拟无枝酸菌属的新型分子分类学模型。.通过16s rDNA和直系同源蛋白建立的系统发育树，以及菌种生长的生理状态，把拟无枝酸菌属所有的菌分成了3个型：以东方拟无枝酸菌（A.orientalis）为代表的嗜温嗜热型（AOS），以台湾拟无枝酸菌（A. taiwanensis）为代表的嗜温型（ATS），和以嗜甲酸拟无枝酸菌（A.methanolica）为代表的嗜热型（AMS）。.通过对全部24株拟无枝酸菌属代表性基因组的分析，共预测出598个次生代谢产物基因合成簇，编码69种类别的次生代谢产物；其中，最主要的类别包含97个萜类(terpene)、73个非核糖体肽类(NRPS)、71个I型聚酮类(T1PKS)、40个硫肽类 (lantibiotic)、33个细菌素类（bacteriocin）和26个杂合聚酮-多肽(PKS-NRPS)等。并对东方拟无枝酸菌的万古霉素合成簇进行功能基因元件的鉴定和功能验证，为修饰改造其他类似化合物打下基础进行了功能验证。.本项目共发表两篇SCI论文；培养博士研究生2人。