キャッサバ葉内の窒素固定に関与するA02細菌の全ゲノムアセンブリー

Whole-genome assembly of A02 bacteria involved in nitrogen fixation within cassava leaves.

抄録

内生窒素固定細菌A02はクルトバクテリウム属（Curtobacterium sp.）に属し、キャッサバ（Manihot esculenta Crantz）の窒素（N）代謝に重要である。我々は、キャッサバ品種SC205からA02株を分離し、15N同位体希釈法を用いて、キャッサバの苗の成長と窒素の蓄積に対するA02株の影響を調べた。さらに、A02のN固定メカニズムを明らかにするため、全ゲノムの塩基配列を決定した。低窒素のコントロール（T1）と比較して、A02株の接種（T2）はキャッサバ苗の葉と根の乾燥重量が最も増加し、コロニー形成とN-固定の主な場所と考えられる葉において、120.3nmol-(mL-h)のニトロゲナーゼ活性が記録された。A02のゲノムサイズは3,555,568bpで、円形染色体とプラスミドを含んでいた。他の短桿菌のゲノムと比較した結果、A02株はインドのイネ（Oryza sativa）から分離された内生菌NS330（Curtobacterium citreum）と進化的に近縁であることが明らかになった。A02株のゲノムには、4 nifB、1 nifR3、2 nifH、1 nifU、1 nifD、1 nifK、1 nifE、1 nifN、1 nifCの13個の窒素固定（nif）遺伝子が含まれており、全ゲノム長の0.22%を占める長さ8kbの比較的完全な窒素固定遺伝子クラスターを形成していた。A02株(Curtobacterium sp.)のnifHDKはFrankiaのアライメントと同一であった。機能予測から、nifB遺伝子の高いコピー数が酸素防御機構に関係していることが示された。本研究で得られた知見は、キャッサバの窒素利用効率を高めるためのトランスクリプトームおよび機能研究のために、窒素に関連する細菌ゲノムに関する興味深い情報を提供するものである。

The endophytic nitrogen-fixing bacterium A02 belongs to the genus Curtobacterium (Curtobacterium sp.) and is crucial for the nitrogen (N) metabolism of cassava(Manihot esculenta Crantz). We isolated the A02 strain from cassava cultivar SC205 and used the 15N isotope dilution method to study the impacts of A02 on growth and accumulation of N in cassava seedlings. Furthermore, the whole genome was sequenced to determine the N-fixation mechanism of A02. Compared with low N control (T1), inoculation with the A02 strain (T2) showed the highest increase in leaf and root dry weight of cassava seedlings, and 120.3 nmol·(mL·h) was the highest nitrogenase activity recorded in leaves, which were considered the main site for colonization and N-fixation. The genome of A02 was 3,555,568 bp in size and contained a circular chromosome and a plasmid. Comparison with the genomes of other short bacilli revealed that strain A02 showed evolutionary proximity to the endophytic bacterium NS330 (Curtobacterium citreum) isolated from rice (Oryza sativa) in India. The genome of A02 contained 13 nitrogen fixation (nif) genes, including 4 nifB, 1 nifR3, 2 nifH, 1 nifU, 1 nifD, 1 nifK, 1 nifE, 1 nifN, and 1 nifC, and formed a relatively complete N fixation gene cluster 8-kb long that accounted for 0.22% of the whole genome length. The nifHDK of strain A02(Curtobacterium sp.) is identical to the Frankia alignment. Function prediction showed high copy number of the nifB gene was related to the oxygen protection mechanism. Our findings provide exciting information about the bacterial genome in relation to N support for transcriptomic and functional studies for increasing N use efficiency in cassava.