《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Spectral characteristics and fluorescence of lycopene from a purple-colored Microbacterium albipurpureum ET2
编辑推荐：
Konstantin E. Klementiev|Elena A. Volynchikova|Wei Fangfang|Sergei K. Pirutin|Elena A. Tsavkelova中国深圳518172，深圳莫斯科大学-比特大学生物学院摘要最近从一种无叶兰花的气生根中
Konstantin E. Klementiev|Elena A. Volynchikova|Wei Fangfang|Sergei K. Pirutin|Elena A. Tsavkelova
中国深圳518172，深圳莫斯科大学-比特大学生物学院
摘要
最近从一种无叶兰花的气生根中分离出的一种新型Microbacterium albipurpureum ET2物种，具有很强的促进植物生长的作用。该物种还具有独特的色素特征，颜色会从白黄色变为亮紫色。在本研究中，通过基因组挖掘发现，该菌株拥有非甲羟戊酸生物合成途径以及负责C40类胡萝卜素合成的基因。利用antiSMASH软件预测出了多个生物合成基因簇，其中包括一个编码萜类化合物合成的基因簇，该基因簇由七个在结构和序列上与已知基因簇相似的基因组成。番茄红素生物合成的核心crtEBI基因在基因组中聚集在一起。通过质谱分析证实，无论是紫色还是黄白色的培养物中都存在番茄红素。此外，拉曼光谱、紫外-可见光谱和荧光光谱等分析方法也检测到了番茄红素及其前体植物烯的存在。通过时间相关单光子计数技术，检测到S2亚能级处的荧光寿命分别为0.8纳秒、3.2纳秒和9.0纳秒。与黄白色培养物相比，紫色培养物的拉曼峰宽度缩小了15-22%，这表明番茄红素分子发生了聚集。
引言
许多Microbacterium菌株属于植物生长促进细菌，能够促进植物的生长和适应能力[1]、[2]、[3]、[4]。这类细菌通常呈黄色或橙色，能够产生类胡萝卜素[5]、[6]，而类胡萝卜素的生物合成非常重要，因为它们在细菌应对选择压力和环境胁迫的生存策略中起着多重保护作用[6]。类胡萝卜素可以通过甲基赤藓糖醇磷酸途径或改良的甲羟戊酸途径来合成[7]、[8]，其初始前体为异戊烯基焦磷酸和它的异构体二甲基丙烯基焦磷酸。甲基赤藓糖醇磷酸途径以丙酮酸和甘油醛3-磷酸的缩合开始，而改良的甲羟戊酸途径则以乙酰辅酶A作为起始底物。
目前，人们越来越关注与植物共生的细菌，希望能找到新的具有抗逆性的次级代谢产物生产者[9]、[10]。最近，我们从一种稀有无叶兰花Chiloschista parishii Seidenf.的根部分离并鉴定出一种新型Microbacterium菌株[4]、[11]。兰花的气生根具有光合作用能力，但同时要面对紫外线、温度波动和湿度变化等恶劣环境。不过，这些气生根为根际细菌提供了适宜的生存环境；我们发现C. parishii的气生根上栖息着多种微生物[12]，包括蓝细菌和异养细菌。其中一种菌株（ET2）被分离出来，并被认定为Microbacterium属中的一个新物种[4]、[11]，最初被命名为Microbacterium albopurpureum sp. nov. [11]，在后续验证过程中，该物种名称被调整为albipurpureum [13]。这种菌株能够在正常条件下以及遭受寒冷胁迫时显著促进作物和草本植物的种子生长[4]，而且其颜色还会从白色或略带黄色变为异常的亮紫色。
Microbacterium属的细菌以其产生类胡萝卜素的能力而闻名，这类物质具有重要的商业和生物技术价值。然而，目前只有少数类胡萝卜素在结构和功能上得到了研究[14]、[15]。类胡萝卜素不仅在微生物应对氧化应激和紫外线辐射时起着重要作用[16]、[17]，还具有强大的抗氧化作用，对人类健康也有益处[17]。为了探究这种异常呈现紫色的Microbacterium albipurpureum所产生的色素的性质，我们进行了基因组挖掘，以阐明其生物合成途径，随后又分析了这类胡萝卜素的结构和光学特性。
本研究表明，无论色素颜色如何，M. albipurpureum都具有合成番茄红素的能力。利用antiSMASH 8.0.0软件检测到了多个基因簇，其中包括一个编码萜类化合物合成的基因簇，该基因簇由七个基因组成。通过甲基赤藓糖醇磷酸途径的作用，再加上antiSMASH预测出的crtE和crtB基因的参与，可生成植物烯，而植物烯再通过由crtI基因编码的植物烯去饱和酶转化为番茄红素。我们的研究还揭示了从M. albipurpureum中分离出的番茄红素的荧光特性，其荧光寿命处于纳秒级别。结合拉曼峰宽度的缩小，类胡萝卜素的聚集现象可能影响了其最终的颜色和荧光特性。
章节节选
次级代谢产物生物合成基因簇
利用antiSMASH软件识别基因组中的特定区域以及参与次级代谢产物合成的核心基因后，共发现了七个生物合成基因簇（BGC）（见表S1）。编码萜类化合物合成的基因簇1在结构和序列上与某些其他细菌的C40类胡萝卜素BGCs相似（见图1）。在基因簇1中预测出的19个基因中，有七个基因以相同的排列方式存在，形成了类似操纵子的结构
讨论
类胡萝卜素基因簇在Microbacterium的基因组中较为常见[14]、[15]、[38]、[39]。通过对番茄红素BGCs的比较分析，我们找到了类胡萝卜素生物合成的关键基因，如crtEBI基因，这些基因对于番茄红素的合成而言既是必需的也是充分的。在M. albipurpureum ET2的类胡萝卜素基因簇中存在这些基因，说明番茄红素是该菌株产生的主要四萜类胡萝卜素[29]。此外，还发现了编码番茄红素环化酶和延伸酶的基因
CRediT作者贡献声明
Elena Volynchikova：数据整理、研究、方法学、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。 Sergei Pirutin：研究、可视化。 Wei Fangfang：研究、方法学、资源获取、可视化、初稿撰写。 Elena Tsavkelova：概念设计、研究、方法学、项目管理、资源获取、监督、验证、初稿撰写、审稿与编辑。 Konstantin Klementiev：形式上的贡献
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。我们没有需要声明的内容。
资金来源
这项研究是在莫斯科国立大学的国家任务支持下开展的。本研究的部分经费由深圳莫斯科大学-比特大学提供。该研究没有获得公共部门、商业机构或非营利组织提供的任何专项资助。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
