对浮霉菌属Singulisphaera的最新研究：新成员、基因组及其功能作用

《Systematic and Applied Microbiology》：An updated outlook at the planctomycetal genus Singulisphaera: New members, genomes, and functional roles

本研究鉴定了两个中性pH环境的Singulisphaera新菌株（Ch08^T和PoT^T），解析了S. rosea S26^T的基因组，发现其具有GH18家族几丁质酶基因，可在甲壳素上生长。转录组分析显示L-岩藻糖利用上调细菌微囊相关基因，并证实重组酶的几丁质酶活性。此外，修正了Singulisphaera属的描述，命名了S. photorubra和S. chitinilytica。

　　

Svetlana N. Dedysh | Anastasia A. Ivanova | Irina S. Kulichevskaya | Daniil G. Naumoff | Natalia E. Suzina | Alexey V. Beletsky | Andrey L. Rakitin | Andrey V. Mardanov | Nikolai V. Ravin

俄罗斯科学院生物技术研究中心Winogradsky微生物学研究所，莫斯科119071，俄罗斯

摘要

Singulisphaera属包含无柄的浮霉菌，其细胞呈球形，通过出芽方式进行繁殖，具有复杂的细胞结构、较大的基因组，并能定殖于多种陆地环境中。该属已描述的两种物种S. acidiphila和S. rosea是从酸性泥炭地中分离出来的，被归类为微嗜酸性细菌。本文描述了从北方沼泽中分离出的两种中性Singulisphaera菌株Ch08^T和PoT^T。我们还获得了之前未公开的S. rosea S26^T的基因组序列。基因组分析和底物利用实验结果表明，所有Singulisphaera菌株均能利用无定形几丁质，这是因为它们拥有属于GH18糖苷水解酶家族的几丁质酶。从PoT^T菌株中提取的几丁质酶基因在大肠杆菌中得到了表达，并证实了重组酶的内几丁质酶活性。这些基因组还含有编码浮霉菌型细菌微区室（BMC）器官的基因簇，表明Singulisphaera物种可能参与植物多糖的降解。通过对PoT^T菌株在葡萄糖和L-岩藻糖培养条件下的转录组分析，发现其在L-岩藻糖培养期间相关BMC基因的表达上调。参与酚类化合物氧化去除的酪氨酸酶仅存在于S. acidiphila MOB10^T菌株中。所有Singulisphaera基因组均含有最近发现的鸟氨酸脂质生物合成途径的相关基因。基于这些研究结果，我们描述了两个新物种S. photorubra和S. chitinilytica，其模式菌株分别为Ch08^T（=KCTC 102485^T = LMG 34153^T）和PoT^T（=KCTC 102290^T = VKM B-3855^T）。同时，也对Singulisphaera属进行了修订描述。

引言

Singulisphaera属最初于2008年根据四种无柄、好氧、非色素化、球形细胞的浮霉菌的特征被提出，这些菌株是从俄罗斯北部酸性（pH 4.0–4.2）的Sphagnum主导的湿地中分离出来的（Kulichevskaya等人，2008年）。这些菌株表现出微嗜酸性特征，最适生长pH值为5.0–6.2，被归类为S. acidiphila物种。后来，又从一种酸性湿地中分离出一种更耐酸（最适pH值4.8–5.0）且呈粉红色的Singulisphaera菌株，被命名为S. rosea（Kulichevskaya等人，2012年）。该属的首个中性成员GP187菌株是从温带森林土壤中分离出来的，但尚未进行分类学描述（Morrow等人，2020年）。另一种中性Singulisphaera菌株Ch08^T是从中性（pH 7.1）的北方沼泽中分离出来的，并在我们最近的研究中得到了描述（Ivanova等人，2024年）。因此，目前可获得的Singulisphaera代表菌株包括微嗜酸性和中性菌株。这种对pH值的适应性和广泛的生长温度范围（4–33°C）是这些细菌能够在多种生境中存在的关键原因。根据独立培养研究的结果，Singulisphaera物种是各种泥炭地、土壤和沉积物中最丰富的浮霉菌之一（Moore等人，2015年；Ivanova等人，2016年；Dedysh和Ivanova，2019年；Yu等人，2020年；Zuo等人，2022年；Klimek等人，2025年）。

Singulisphaera物种在富含有机物的陆地生境中广泛分布的另一个原因是它们能够利用多种植物来源的多糖，如木聚糖、地衣多糖、果胶和层藻多糖（Kulichevskaya等人，2008年，Kulichevskaya等人，2012年），以及一些微生物来源的外多糖（Wang等人，2015年）。然而，目前尚未在Singulisphaera物种中检测到参与降解某些植物壁糖（如L-岩藻糖和L-鼠李糖）的细菌微区室（BMC）器官（Erbilgin等人，2014年；Dedysh等人，2021年）。

一些Singulisphaera物种具有降解几丁质的能力，几丁质是真菌细胞壁和节肢动物外骨骼的主要成分，这一特性在某些物种中得到了证实。我们的最新研究表明，Ch08^T菌株和S. acidiphila MOB10^T菌株均能在无定形几丁质上生长（Ivanova等人，2024年）。这些浮霉菌的基因组中发现了属于GH18糖苷水解酶家族的几丁质酶基因，并通过几丁质生长细胞的转录组分析证实了Ch08^T菌株中相关基因的表达上调。为了进一步验证，将Ch08^T菌株中的几丁质酶基因在大肠杆菌中表达，并确认了重组酶的内几丁质酶活性。

最后，有研究表明S. acidiphila MOB10^T菌株含有参与酚类化合物氧化去除的酪氨酸酶（Panis和Rompel，2022年；Panis和Rompel，2023年）。由于含有酪氨酸酶的微生物的活性直接影响湿地生态系统的碳储存，因此确认这些酶在其他Singulisphaera物种中的存在具有重要意义。

本研究旨在更新我们对Singulisphaera属的认识，包括对新菌株PoT^T的描述、获取其基因组以及之前未公开的S. rosea S26^T的基因组，验证PoT^T和S26^T菌株的几丁质降解能力，研究该属成员是否具有BMC介导的植物壁糖降解能力以及酪氨酸酶的存在，并对Ch08^T和PoT^T菌株进行分类学描述。

Ch08^T菌株的分离

Ch08^T菌株于2021年7月从俄罗斯北部（沃洛格达地区，坐标59°56′31.6″ N, 41°15′53.5″ E）的Shichengskoe沼泽中5–10厘米深度的泥炭土壤中分离出来。用于分离Ch08^T菌株的同一片泥炭地生长着Carex lasiocarpa、Carex dioica、Eriophorum latifolium和Sphagnum warnstorfii等植物。关于样本采集地点的详细信息已在我们的先前出版物中提供（Dedysh等人）。

Ch08^T菌株的细胞形态、生理特性和鉴定

Ch08^T菌株由非运动性的球形细胞组成，直径为2.4–3.4微米，通过出芽方式繁殖，单独存在、成对出现或形成短链（图1A）。这些细菌在M31琼脂培养基上形成小而黏滑、无色素的菌落（图1B）；液体培养物呈现均匀的浑浊度。

Ch08^T菌株在pH 5.5–8.5的范围内生长（最适pH值为7.0–7.5），温度范围为15–30°C（最适温度为25°C）。该菌株不需要NaCl。

作者贡献声明

Svetlana N. Dedysh：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源获取、概念构思。 Anastasia A. Ivanova：初稿撰写、数据可视化、实验研究、数据分析。 Irina S. Kulichevskaya：数据可视化、实验研究。 Daniil G. Naumoff：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、实验研究。 Natalia E. Suzina：数据可视化、实验研究。 Alexey V. Beletsky：软件应用、数据分析、数据处理。

资助

本研究得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部的大力支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究使用了俄罗斯科学院生物技术研究中心的“生物工程”核心研究设施的科学设备。