中科白癜风公益活动 https://m-mip.39.net/baidianfeng/mipso_5782213.html本期论文推送论文ID：ComparativeGenomicAnalysisofN2-FixingandNon-N2-
FixingPaenibacillusspp.:Organization,EvolutionandExpressionoftheNitrogenFixationGenes
期刊：PLoSGenet
IF=5.，Q2
年份：年通讯作者：陈三凤作者单位：中国农业大学农业生物技术重点实验室本文由“壹伴编辑器”提供技术支
论文摘要
我们在这里提供了类芽孢杆菌属中31个菌株的比较基因组分析，包括11个新的固氮菌株的基因组序列。壳基因组(shellgenome)的大尺寸(size)反映了31个基因组（15个固氮和16个非固氮的类芽孢杆菌菌株）的异质性，大约占泛基因组基因的65.2％。大量的转座因子可能与异质性有关。我们发现，在15个固氮菌株中，包含9个基因（nifB，nifH，nifD，nifK，nifE，nifN，nifX，hesA和nifV）的最小而紧凑的nif簇是保守的。nif簇受σ70依赖性启动子控制，在启动子中具有GlnR/TnrA结合位点。Suf系统编码的[Fe–S]簇在固氮和固氮菌株中高度保守。此外，我们证明了nif簇能够使大肠杆菌JM固氮。串联的NifHDK序列的系统发生表明，类芽孢杆菌和弗兰克氏菌是姐妹组。串联的个单拷贝核心基因的系统发育表明，祖先的类芽孢杆菌不能固氮。通过水平基因转移（HGT）从与弗兰克氏菌相关的来源获得nif簇，从而产生了固氮的类芽孢杆菌菌株。在进化的历史过程中，nif簇丢失，产生了一些非固氮菌株，并获得了编码V-固氮酶的vnf或编码Fe-固氮酶的anf基因，从而使某些菌株进一步多样化。此外，一些固定N2的菌株还具有其他nif和nif-like基因，这些基因可能是基因重复产生的。类芽孢杆菌中固氮的进化是一个涉及获得，丢失，HGT和nif/anf/vnf基因重复的混合事件。这项研究不仅揭示了类芽孢杆菌中固氮基因的组织和分布，还为深入了解固氮的复杂进化史提供了见解。
引言
生物固氮，即大气中的N2向NH3的转化，在全球氮循环和世界农业中发挥着重要作用[1]。固氮作用主要由钼固氮酶催化。固氮的能力广泛，但在古细菌和细菌之间分布广泛，包括以下几大科：变形杆菌门、厚壁菌门、蓝藻门、放线菌门和绿藻门[2]。同样，固氮基因在不同固氮生物之间的含量和组织也有很大差异。例如，在肺炎克雷伯氏菌中，20个nif基因共位于一个24kb簇中[3]，而在棕色固氮菌中，nif基因在基因组中的分布更加分散并以两个簇的形式分布[4]。nif基因的随机分布模式以及含量和组织的差异使得人们提出了固氮酶起源和进化的问题。基于nif基因序列的系统发育推断通常用于理解nif基因的进化[5-7]。在对Mo-固氮酶蛋白序列（NifHDK）进行系统发育检查的基础上，已经提出了两个相互矛盾的Mo-固氮酶起源假说[8-11]：一个是LCA假说（最后一个共同祖先假说），该假说暗示Mo-固氮酶起源于细菌和古细菌域的共同祖先。LCA模型指出，基因丢失已经广泛存在，并且解释了在真核生物或原核生物的许多门中均未发现固氮酶的事实。另一个是产甲烷菌起源假说，这意味着固氮起源于产甲烷古菌，然后通过水平基因转移（HGT）转移到原始细菌中。测序技术的显着进展，使得人们对固氮的遗传学和系统发育史方面取得进一步了解。例如，几种固氮生物的基因组序列，如施氏假单胞菌A[12]，织片草螺菌SmR1[13]和产琥珀酸沃廉菌[14]，揭示了由钼固氮酶基因构成的固氮簇或固氮岛。P.Stutzeri的nif基因包括nifQ，nifA，nifL，nifH，nifD，nifK，nifT，nifY，nifE，nifN，nifX，nifS，nifU，nifW，nifZ，nifM和nifF，并分布在49kb的区域内。H.seropedicae的nif基因，包括nifA，nifB，nifZ，nifZ1，nifH，nifD，nifK，nifE，nifN，nifX，nifQ，nifW，nifV，nifU和nifS，并分布在散布着fix，mod，hes，fdx，hsc等基因的37kb区域中。nif簇与施氏假单胞菌A中的基因组平均数之间的G+C含量变化以及织片草螺菌SmR1中nif簇附近的转座酶的存在，揭示了nif基因簇的HGT[13]。但是，由于固氮是一个古老的复杂过程，且分布广泛并散布在原核生物家族中，因此需要进一步的基因组序列来完全解析固氮酶的进化史。Mo-固氮酶由两种蛋白质组成，即固氮酶（钼铁蛋白）和固氮酶还原酶（Fe蛋白）。钼铁蛋白是一个α2β2异四聚体（由nifDK编码），包含铁钼辅因子（FeMo-co）和P簇。FeMo-co是一个[Mo-7Fe-9S-homocitrate]簇，它是底物结合和还原的活性位点。P-cluster是[8Fe-7S]簇，它将电子传递到FeMo-co。Fe蛋白是一个γ2同型二聚体（由nifH编码），由一个亚基[4Fe-4S]簇连接，该簇充当钼铁蛋白的专性电子供体。除了结构基因nifHDK，其他基因nifE,nifN,nifX,nifB,nifQ,nifV,nifY,nifU,nifS,nifZ和nifM有助于FeMo-co的合成和固氮酶的成熟[15-17]。尽管当今大多数生物上的N2还原都是由钼固氮酶催化的，但在Mo受到限制的环境中，有两种同源的替代固氮酶：V-和Fe-固氮酶是固定氮的重要生物来源[18]。V-和Fe-固氮酶由vnf和anf基因编码。在自然界中，Mo-，V-和Fe-固氮酶分布不均。大多数固氮生物，例如肺炎克雷伯菌，仅具有Mo-固氮酶[19]。虽然某些生物（如棕色固氮菌）拥有上述三种类型的固氮酶[20]，而其他生物（如荚膜红细菌和深红红螺菌）则具有Mo-和Fe-固氮酶[21,22]。类芽孢杆菌是革兰氏阳性，兼性厌氧，内生孢子形成细菌的一大属。该属的成员在生化和形态上各不相同，并且在各种环境中都可以找到，例如土壤，根际，昆虫幼虫和临床样本[23-26]。最初，类芽孢杆菌被包括在芽孢杆菌属中，但是在年它被重新分类为一个单独的属[27]。当时，类芽孢杆菌属包括11个物种，其中包括三个固定N2的物种，即多粘类芽孢杆菌，浸麻类芽孢杆菌和固氮芽孢杆菌[27]。类芽孢杆菌属目前包含多个命名物种，其中20多个具有固氮能力，包括本实验室描述的以下8个新物种：P.Sabinae，P.zanthoxyli，P.forsythiae，P.Sonchi，P.sophorae，P.jilunlii，P.taohuashanense和P.beijingensis[28–35]。尽管固氮生物类芽孢杆菌菌株在农业中具有潜在的细菌肥料用途，但迄今为止的基因组信息仍然有限，并且这些固氮生物的固氮遗传和进化尚不清楚。在这里，我们对11个固定N2的类芽孢杆菌菌株进行了测序，并将这些菌株彼此之间以及和之前测序的其他20个菌株（4个N2固定和16个非N2固定菌株）进行了比较。这些菌株是从植物根际，温泉和人体以及巴西，中国，韩国，以色列，法国，比利时，美国等国家获得的（表1）。我们的研究表明，在15个N2固定菌株中，包含nifB，nifH，nifD，nifK，nifE，nifN，nifX，hesA和nifV的nif基因簇高度保守。同样，在某些类芽孢杆菌物种中发现了两种同源的替代固氮酶：分别由vnf和anf基因编码的V-和Fe-固氮酶。HGT，nif，vnf和anf基因的基因丢失和基因重复已导致类芽孢杆菌中固氮的进化。该研究不仅揭示了类芽孢杆菌中nif/anf/vnf基因的组织、分布和以及固氮的进化模式，而且为nif进化的产甲烷菌起源假说提供了支持[10,11]。结果
基因组特征表2显示了固定N2的类芽孢杆菌菌株的11个新测序基因组和20个先前测序的类芽孢杆菌菌株的基因组（4个N2固定菌株和16个非N2固定菌株）的特征摘要。11个新测序的基因组的大小特征（大小，GC含量，预测的编码序列数和tRNA基因的数量）在类芽孢杆菌菌株先前测序的基因组范围内（表2，表S1）。31个基因组的大小大约相差3Mb（范围从4.90-8.77Mb），而CDS的数量范围则在-之间，表明菌株之间存在很大差异。31个基因组的G+C含量范围为44.2-58.4%。PaenibacillussophoraeS27的基因组大小比新测序的菌株更大。核心和泛基因组分析对总共31个基因组的分析表明，泛基因组在类芽孢杆菌属中包含个推定的蛋白质编码基因。在个推定的蛋白质编码基因中，泛基因组基因66.9％的个基因仅在类芽孢杆菌属的一个基因组中存在，这表明从其他类群获得水平基因的频率很高。与泛基因组相反，类芽孢杆菌属具有个推定的蛋白质编码基因的核心基因组，仅占每个菌株蛋白质编码基因的9％至15％，这说明该基因组具有很大的基因组多样性。这一组细菌（图1）。基因组数据与类芽孢杆菌菌株在形态和生理上是多样的这一事实是一致的。进一步比较分析15个N2固定和16个非N2固定的类芽孢杆菌菌株的核心基因组。我们发现非N2固定菌株具有个推定蛋白质编码基因的核心基因组，该基因组占每个菌株中蛋白质编码基因的12–20％。N2固定菌株的核心基因组为个推定的蛋白质编码基因，该基因编码每个基因组中蛋白质池的14–24％。此外，我们使用直系同源簇（COG）分配来确定归于特定细胞过程的核心基因组比例是否存在差异（图2和表S2）。有趣的是，发现N2固定菌株的核心基因组在细胞运动性和趋化性基因中的分布不成比例地丰富（Fisher的精确检验；P值为0.01）。由于这些固氮菌株是从植物根际中分离出来的，因此细胞活力和趋化性对于细菌适应不断变化的根际环境非常重要[47]。转座因子在这项研究中，使用ISfinder数据库（