Биоинформатический анализ генома штамма Bacillus velezensis КР-2 с целью выявления биотехнологически важных свойств

Представители рода Bacillus активно используются при создании биопрепаратов для сельского хозяйства в связи со способностью продуцировать широкий спектр биологически активных молекул, обладающих антимикробной активностью, стимулирующих рост растений и восстанавливающих баланс микроорганизмов в пищеварительной системе животных. В представленной работе у штамма Bacillus velezensis КР-2 впервые был выявлен уникальный путь внутриклеточного синтеза осмопротектора глицин-бетаина при участии генов BetA , BetВ , BetT , BetC , о котором у бактерий рода Bacillus ранее не сообщалось. Обнаруженная нами особенность генома B. velezensis КР-2, связанная с синтезом сидерофора миксохелина A, вероятно, также уникальна для этого штамма в отличие от других изученных штаммов, относящихся к виду B. velezensis , поскольку не описана в литературе. Целью исследования был молекулярно-биологический анализ и биоинформатическая аннотация генома штамма Bacillus velezensis КР-2 для выявления генетических детерминант, определяющих возможность биосинтеза разнообразных биологически активных веществ, важных для создания биопрепаратов для сельского хозяйства. Материалом служил штамм B. velezensis КР-2 из коллекции ООО «БИОТРОФ+», выделенный из рубца молочной коровы. Антимикробную активность штамма бактерии исследовали методом отсроченного антагонизма. ДНК выделяли по стандартным методикам с использованием набора Genomic DNA Purification Kit («Thermo Fisher Scientific, Inc.», США). Библиотеку ДНК для полногеномного секвенирования готовили с помощью набора Nextera XT («Illumina, Inc.», США). Нуклеотидные последовательности определяли с использованием прибора MiSeq («Illumina, Inc.», США). Отфильтрованные по длине не менее чем от 50 до 150 п.н. парноконцевые последовательности собирали de novo с использованием геномного сборщика SPAdes-3.11.1 с соответствующими ключами. Сравнительный анализ генома штамма B. ve-lezensis КР-2 с нуклеотидными последовательностями других микроорганизмов проводили при использовании баз данных NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/). Для филогенетического анализа последовательность гена 16S рРНК передавали на веб-сервис Nucleotide BLAST (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov). Для перевода нуклеотидной последовательности контигов в аминокислотную использовали PROKKA 1.12 (https://bioweb.pasteur.fr/packages/pack@prokka@1.12). Функциональную аннотацию генома проводили с помощью веб-сервиса RAST 2.0 (https://rast.nmpdr.org). Для оценки пула генов, связанных с биотехнологически ценными свойствами, и построения метаболических карт использовали базу данных KEGG Pathway (http://www.genome.jp/kegg/). В результате полногеномного секвенирования получили 16 контигов с общей длиной 3936398 п.н., содержащих 46,6 % ГЦ-пар, с качеством N50 2109194 п.н. и N75 844068 п.н. В состав хромосомы входили 3854 кодирующие последовательности (CDS), связанные с синтезом полипептидов. Были выявлены 464 метаболические подсистемы, наиболее представленными из которых оказались подсистемы метаболизма аминокислот и их производных (431) и метаболизма углеводов (416). У штамма B. velezensis КР-2 обнаружен комплекс потенциальных свойств, включая синтез антимикробных пептидов, жирных кислот, витаминов, сидерофоров, ауксинов, способность к адгезии, устойчивость к токсическим соединениям, моторику и хемотаксис, возможность противостоять стрессовым факторам, стимулировать рост растений и участвовать в метаболизме фосфатов. В частности, в геноме B. velezensis КР-2 показано присутствие генов ( BacA , BacB , BacG , BacF , BacD ), вовлеченных в образование бацилизина - нерибосомно синтезируемого антимикробного бактериоцина. Данные о возможности синтеза этого дипептида согласуются с фенотипической характеристикой штамма - наблюдаемым in vitro антагонизмом в отношении Staphylococcus aureus , Escherichia coli , Fusarium oxysporum и Clostridium butyricum . У B. velezensis КР-2 нами выявлен уникальный путь внутриклеточного синтеза осмопротектора глицин-бетаина при участии генов BetA , BetВ , BetT , BetC , о наличии которого у бактерий рода Bacillus ранее не сообщалось. Выявлена способность синтезировать ауксины - индол-3-этанола, с продукцией которого ассоциированы гены IAR , TO , индол-3-ацетальдегида ( IAD , AAD , AO ) и индол-3-ацетонитрила ( N3 ). В геноме B. velezensis КР-2 мы также идентифицировали несколько кластеров генов, ассоциированных с синтезом сидерофоров ( DhbA , DhbB , DhbC , FeuA , FeuB , FeuC , FeuD ). Судя по данным лабораторных исследований и полногеномного секвенирования, штамм бактерии B. velezensis КР-2 - это один из бактериальных ресурсов, полезных для использования в сельском хозяйстве. Обнаруженные нами уникальные пути синтеза глицин-бетаина при участии генов BetA , BetВ , BetT , BetC важны для клеточной адаптации штамма B. velezensis КР-2 к высокоосмолярному стрессу, который создается в средах, подверженных частым колебаниям содержания воды, например в подвяленной растительной массе силоса и верхних слоях почвы.