An understanding of the contribution of secondary metabolites (SMs) to the antagonistic and biocontrol activities of bacterial biocontrol agents serves to improve biocontrol potential of the strain. In this study, to evaluate the contribution of each SM produced by Pseudomonas fluorescens NBC275 (Pf275) to its antifungal and biocontrol activity, we combined in silico analysis of the genome with our previous study of transposon (Tn) mutants. Thirteen Tn mutants, which belonged to 6 biosynthetic gene clusters (BGCs) of a total 14 BGCs predicted by the antiSMASH tool were identified by the reduction of antifungal activity. The biocontrol performance of Pf275 was significantly dependent on 2,4-diacetylphloroglucinol and pyoverdine. The clusters that encode for arylpolyene and an unidentified small linear lipopeptide influenced antifungal and biocontrol activities. To our knowledge, our study identified the contribution of SMs, such as a small linear lipopeptide and arylpolyene, to biocontrol efficacy for the first time.
Soil is the major source of plant-associated microbes. Several fungal and bacterial species live within plant tissues. Actinomycetes are well known for producing a variety of antibiotics, and they contribute to improving plant health. In our previous report, Streptomyces globisporus SP6C4 colonized plant tissues and was able to move to other tissues from the initially colonized ones. This strain has excellent antifungal and antibacterial activities and provides a suppressive effect upon various plant diseases. Here, we report the genome-wide analysis of antibiotic producing genes in S. globisporus SP6C4. A total of 15 secondary metabolite biosynthetic gene clusters were predicted using antiSMASH. We used the CRISPR/Cas9 mutagenesis system, and each biosynthetic gene was predicted via protein basic local alignment search tool (BLAST) and rapid annotation using subsystems technology (RAST) server. Three gene clusters were shown to exhibit antifungal or antibacterial activity, viz. cluster 16 (lasso peptide), cluster 17 (thiopeptide-lantipeptide), and cluster 20 (lantipeptide). The results of the current study showed that SP6C4 has a variety of antimicrobial activities, and this strain is beneficial in agriculture.
Kim, Byeollee;Han, So-Ra;Lamichhane, Janardan;Park, Hyun;Oh, Tae-Jin
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.29
no.7
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pp.1144-1154
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2019
There have been several studies regarding lichen-associated bacteria obtained from diverse environments. Our screening process identified 49 bacterial species in two lichens from the Himalayas: 17 species of Actinobacteria, 19 species of Firmicutes, and 13 species of Proteobacteria. We discovered five types of strong antimicrobial agent-producing bacteria. Although some strains exhibited weak antimicrobial activity, NP088, NP131, NP132, NP134, and NP160 exhibited strong antimicrobial activity against all multidrug-resistant strains. Polyketide synthase (PKS) fingerprinting revealed results for 69 of 148 strains; these had similar genes, such as fatty acid-related PKS, adenylation domain genes, PfaA, and PksD. Although the association between antimicrobial activity and the PKS fingerprinting results is poorly resolved, NP160 had six types of PKS fingerprinting genes, as well as strong antimicrobial activity. Therefore, we sequenced the draft genome of strain NP160, and predicted its secondary metabolism using antiSMASH version 4.2. NP160 had 46 clusters and was predicted to produce similar secondary metabolites with similarities of 5-100%. Although NP160 had 100% similarity with the alkylresorcinol biosynthetic gene cluster, our results showed low similarity with existing members of this biosynthetic gene cluster, and most have not yet been revealed. In conclusion, we expect that lichen-associated bacteria from the Himalayas can produce new secondary metabolites, and we found several secondary metabolite-related biosynthetic gene clusters to support this hypothesis.
The genus Paenibacillus contains a variety of biologically active compounds that have potential applications in a range of fields, including medicine, agriculture, and livestock, playing an important role in the health and economy of society. Our study focused on the bacterium SS4T (KCTC 43402T = GDMCC 1.3498T), which was characterized using a polyphasic taxonomic approach. This strain was analyzed using antiSMASH, BAGEL4, and PRISM to predict the secondary metabolites. Lassopeptide clusters were found using all three analysis methods, with the possibility of secretion. Additionally, PRISM found three biosynthetic gene clusters (BGC) and predicted the structure of the product. Genome analysis indicated that glucoamylase is present in SS4T. 16S rRNA sequence analysis showed that strain SS4T most closely resembled Paenibacillus marchantiophytorum DSM 29850T (98.22%), Paenibacillus nebraskensis JJ-59T (98.19%), and Paenibacillus aceris KCTC 13870T (98.08%). Analysis of the 16S rRNA gene sequences and Type Strain Genome Server (TYGS) analysis revealed that SS4T belongs to the genus Paenibacillus based on the results of the phylogenetic analysis. As a result of the matrix-assisted laser desorption/ionization-time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF/MS) results, SS4T was determined to belong to the genus Paenibacillus. Comparing P. marchantiophytorum DSM 29850T with average nucleotide identity (ANI 78.97%) and digital DNA-DNA hybridization (dDDH 23%) revealed values that were all less than the threshold for bacterial species differentiation. The results of this study suggest that strain SS4T can be classified as a Paenibacillus andongensis species and is a novel member of the genus Paenibacillus.
Beauveria bassiana (Cordycipitaceae, Hypocreales, Ascomycota) is an anamorphic fungus having a potential to be used as a biological control agent because it parasitizes a wide range of arthropod hosts including termites, aphids, beetles and many other insects. A number of bioactive secondary metabolites (SMs) have been isolated from B. bassiana and functionally verified. Among them, beauvericin and bassianolide are cyclic depsipeptides with antibiotic and insecticidal effects belonging to the enniatin family. Non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) play a crucial role in the synthesis of these secondary metabolites. NRPSs are modularly organized multienzyme complexes in which each module is responsible for the elongation of proteinogenic and non-protein amino acids, as well as carboxyl and hydroxyacids. A minimum of three domains are necessary for one NRPS elongation module: an adenylation (A) domain for substrate recognition and activation; a tholation (T) domain that tethers the growing peptide chain and the incoming aminoacyl unit; and a condensation (C) domain to catalyze peptide bond formation. Some of the optional domains include epimerization (E), heterocyclization (Cy) and oxidation (Ox) domains, which may modify the enzyme-bound precursors or intermediates. In the present study, we analyzed genomes of B. bassiana and its allied species in Hypocreales to verify the distribution of NRPS-encoding genes involving biosynthesis of beauvericin and bassianolide, and to unveil the evolutionary processes of the gene clusters. Initially, we retrieved completely or partially assembled genomic sequences of fungal species belonging to Hypocreales from public databases. SM biosynthesizing genes were predicted from the selected genomes using antiSMASH program. Adenylation (A) domains were extracted from the predicted NRPS, NRPS-like and NRPS-PKS hybrid genes, and used them to construct a phylogenetic tree. Based on the preliminary results of SM biosynthetic gene prediction in B. bassiana, we analyzed the conserved gene orders of beauvericin and bassianolide biosynthetic gene clusters among the hypocrealean fungi. Reciprocal best blast hit (RBH) approach was performed to identify the regions orthologous to the biosynthetic gene cluster in the selected fungal genomes. A clear recombination pattern was recognized in the inferred A-domain tree in which A-domains in the 1st and 2nd modules of beauvericin and bassianolide synthetases were grouped in CYCLO and EAS clades, respectively, suggesting that two modules of each synthetase have evolved independently. In addition, inferred topologies were congruent with the species phylogeny of Cordycipitaceae, indicating that the gene fusion event have occurred before the species divergence. Beauvericin and bassianolide synthetases turned out to possess identical domain organization as C-A-T-C-A-NM-T-T-C. We also predicted precursors of beauvericin and bassianolide synthetases based on the extracted signature residues in A-domain core motifs. The result showed that the A-domains in the 1st module of both synthetases select D-2-hydroxyisovalerate (D-Hiv), while A-domains in the 2nd modules specifically activate L-phenylalanine (Phe) in beauvericin synthetase and leucine (Leu) in bassianolide synthetase. antiSMASH ver. 2.0 predicted 15 genes in the beauvericin biosynthetic gene cluster of the B. bassiana genome dispersed across a total length of approximately 50kb. The beauvericin biosynthetic gene cluster contains beauvericin synthetase as well as kivr gene encoding NADPH-dependent ketoisovalerate reductase which is necessary to convert 2-ketoisovalarate to D-Hiv and a gene encoding a putative Gal4-like transcriptional regulator. Our syntenic comparison showed that species in Cordycipitaceae have almost conserved beauvericin biosynthetic gene cluster although the gene order and direction were sometimes variable. It is intriguing that there is no region orthologous to beauvericin synthetase gene in Cordyceps militaris genome. It is likely that beauvericin synthetase was present in common ancestor of Cordycipitaceae but selective gene loss has occurred in several species including C. militaris. Putative bassianolide biosynthetic gene cluster consisted of 16 genes including bassianolide synthetase, cytochrome P450 monooxygenase, and putative Gal4-like transcriptional regulator genes. Our synteny analysis found that only B. bassiana possessed a bassianolide synthetase gene among the studied fungi. This result is consistent with the groupings in A-domain tree in which bassianolide synthetase gene found in B. bassiana was not grouped with NRPS genes predicted in other species. We hypothesized that bassianolide biosynthesizing cluster genes in B. bassiana are possibly acquired by horizontal gene transfer (HGT) from distantly related fungi. The present study showed that B. bassiana is the only species capable of producing both beauvericin and bassianolide. This property led to B. bassiana infect multiple hosts and to be a potential biological control agent against agricultural pests.
Lingmin Jiang;Hanna Choe;Yuxin Peng;Doeun Jeon;Donghyun Cho;Yue Jiang;Ju Huck Lee;Cha Young Kim;Jiyoung Lee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.33
no.10
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pp.1292-1298
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2023
PAMB 00755T, a bacterial strain, was isolated from Korean fir leaves. The strain exhibits yellow colonies and consists of Gram-negative, non-motile, short rods or ovoid-shaped cells. It displays optimal growth conditions at 20℃, 0% NaCl, and pH 6.0. Results of 16S rRNA gene-based phylogenetic analyses showed that strain PAMB 00755T was most closely related to Sphingomonas chungangi MAH-6T (97.7%) and Sphingomonas polyaromaticivorans B2-7T (97.4%), and ≤96.5% sequence similarity to other members of the genus Sphingomonas. The values of average nucleotide identity (79.9-81.3%), average amino acid identity (73.3-75.9%), and digital DNA-DNA hybridization (73.3-75.9%) were significantly lower than the threshold values for species boundaries; these overall genome-related indexes (OGRI) analyses indicated that the strain represents a novel species. Genomic analysis revealed that the strain has a 4.4-Mbp genome encoding 4,083 functional genes, while the DNA G+C content of the whole genome is 66.1%. The genome of strain PAMB 00755T showed a putative carotenoid biosynthetic cluster responsible for its antioxidant activity. The respiratory quinone was identified as ubiquinone 10 (Q-10), while the major fatty acids in the profile were identified as C18:1ω7c and/or C18:1ω6c (summed feature 8). The major polar lipids of strain PAMB 00755T were diphosphatidylglycerol, phosphatidylethanolamine, sphingoglycolipid, and phosphatidylcholine. Based on a comprehensive analysis of genomic, phenotypic, and chemotaxonomic characteristics, we proposed the name Sphingomonas abietis sp. nov. for this novel species, with PAMB 00755T as the type strain (= KCTC 92781T = GDMCC 1.3779T).
Lee, Hyeonju;Jo, Eunhye;Kim, Jihye;Moon, Keumok;Kim, Min Ji;Shin, Jae-Ho;Cha, Jaeho
Microbiology and Biotechnology Letters
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v.49
no.1
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pp.111-119
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2021
A bacterial strain isolated from a Malva verticillata leaf was identified as Bacillus velezensis MV2 based on the 16S rRNA sequencing results. Complete genome sequencing revealed that B. velezensis MV2 possessed a single 4,191,702-bp contig with 45.57% GC content. Generally, Bacillus spp. are known to produce diverse antimicrobial compounds including bacteriocins, polyketides, and non-ribosomal peptides. Antimicrobial compounds in the B. velezensis MV2 were extracted from culture supernatants using hydrophobic interaction chromatography. The crude extracts showed antimicrobial activity against both gram-positive bacteria and gram-negative bacteria; however, they were more effective against gram-positive bacteria. The extracts also showed antifungal activity against phytopathogenic fungi such as Fusarium fujikuroi and F. graminearum. In time-kill assays, these antimicrobial compounds showed bactericidal activity against Bacillus cereus, used as indicator strain. To predict the type of antimicrobial compounds produced by this strain, we used the antiSMASH algorithm. Forty-seven secondary metabolites were predicted to be synthesized in MV2, and among them, fourteen were identified with a similarity of 80% or more with those previously identified. Based on the antimicrobial properties, the antimicrobial compounds may be nonribosomal peptides or polyketides. These compounds possess the potential to be used as biopesticides in the food and agricultural industry as an alternative to antibiotics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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