PCR screening of bacterial strains isolated from the microbiome of the Lubomirskia baicalensis sponge for the presence of secondary metabolite synthesis genes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The microbial communities of sponges (Porifera) are often a source of natural bioactive metabolites. From the microbiome of the endemic Lubomirskia baicalensis sponge, 35 bacterial strains were isolated and identified using molecular methods. The strains belonged to the phyla Actinobacteria, Firmicutes, and Proteobacteria (classes Alpha- and Betapriteobacteria). To analyze the strains for the presence of genes in the synthesis of secondary metabolites, polyketide synthases (PKS), PCR screening was applied using degenerate primers. Overall, 15 out of 35 strains contained PCR products corresponding in size to a fragment of the ketosynthase domain of the PKS gene cluster. Thus, the proposed method is applicable for rapid screening of the potential ability of microorganisms of different taxonomic groups to produce secondary metabolites. The work contributes to the study of the taxonomic diversity of cultured microorganisms, potential producers of biologically active substances, isolated from the microbiomes of Baikal sponges.

About the authors

O. V. Kaluzhnaya

Limnological Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: kaluzhnaya.oks@gmail.com
Russian Federation, 3, Ulan-Batorskaya St., Irkutsk, 664033

I. A. Lipko

Limnological Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: kaluzhnaya.oks@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6214-2974
Russian Federation, 3, Ulan-Batorskaya St., Irkutsk, 664033

V. B. Itskovich

Limnological Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: kaluzhnaya.oks@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0552-0465
Russian Federation, 3, Ulan-Batorskaya St., Irkutsk, 664033

References

  1. Akinsanya M.A., Goh J.K., Ting A.S.Y. 2020. UPLC-MS Analysis of characterization of bioactive compounds produced by endophytic Bacillus tequilensis ALR-2 from Aloe vera plant. bioRxiv 2020. doi: 10.1101/2020.07.23
  2. Austin S., Kontur W.S., Ulbrich A. et al. 2015. Metabolism of multiple aromatic compounds in corn stover hydrolysate by Rhodopseudomonas palustris. Environmental Science & Technology 49: 8914-8922. doi: 10.1021/acs.est.5b02062
  3. Asolkar R.N., Schroder D., Heckmann R. et al. 2004. Helquinoline, a new tetrahydroquinoline antibiotic from Janibacter limosus Hel1. The Journal of Antibiotics (Tokyo) 57: 17-23. doi: 10.7164/antibiotics.57.17
  4. Balachandran C., Duraipandiyan V., Ignacimuthu S. 2012. Cytotoxic (A549) and antimicrobial effects of Methylobacterium sp. isolate (ERI-135) from Nilgiris forest soil, India. Asian Pacific Journal of Tropical Biomedicine 2: 712-716. doi: 10.1016/S2221-1691(12)60215-9
  5. Barrios-Llerena M.E., Burja A.M., Wright P.C. 2007. Genetic analysis of polyketide synthase and peptide synthetase genes in cyanobacteria as a mining tool for secondary metabolites. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 34: 443-456. doi: 10.1007/s10295-007-0216-6
  6. Bell J.J. 2007. The use of volunteers for conducting sponge biodiversity assessments and monitoring using a morphological approach on Indo-Pacific coral reefs. Aquatic Conservation Marine and Freshwater Ecosystems 17: 133-145. doi: 10.1002/aqc.789
  7. Corretto E., Antonielli L., Sessitsch A. et al. 2020. Comparative genomics of Microbacterium species to reveal diversity, potential for secondary metabolites and heavy metal resistance. Frontiers in Microbiology 11. doi: 10.3389/fmicb.2020.01869
  8. Costa R., Keller-Costa T., Gomes N.C.M. et al. 2013. Evidence for selective bacterial community structuring in the freshwater sponge Ephydatia fluviatilis. Microbial Ecology 65: 232-244. doi: 10.1007/s00248-012-0102-2
  9. Dahal R.H., Chaudhary D.K., Kim J. 2021. Genome insight and description of antibiotic producing Massilia antibiotica sp. nov., isolated from oil-contaminated soil. Scientific Reports 11. doi: 10.1038/s41598-021-86232-z
  10. Ehrenreich I., Waterbury J., Webb E. 2005. Distribution and diversity of natural product genes in marine and freshwater cyanobacterial cultures and genomes. Applied and Environmental Microbiology 71: 7401-7413. doi: 10.1128/AEM.71.11.7401-7413.2005
  11. Feng G.D., Yang S.Z., Li H.P. et al. 2016. Massilia putida sp. nov., a dimethyl disulfide-producing bacterium isolated from wolfram mine tailing. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 66: 50-55. doi: 10.1099/ijsem.0.000670
  12. Fickers P. 2012. Antibiotic compounds from Bacillus: why are they so amazing? American Journal of Biochemistry and Biotechnology 8: 40-46. doi: 10.3844/ajbbsp.2012.38.43
  13. Gernert C., Glockner F.O., Krohne G. et al. 2005. Microbial diversity of the freshwater sponge Spongilla lacustris. Microbial Ecology 50: 206-212. doi: 10.1007/s00248-004-0172-x
  14. Gladkikh A.S., Kalyuzhnaya O.V., Belykh O.I. et al. 2014. Analysis of bacterial communities of two Lake Baikal endemic sponge species. Microbiology 83: 787-797. doi: 10.1134/S002626171406006X
  15. Haroune N., Combourieu B., Besse P. et al. 2004. Metabolism of 2-mercaptobenzothiazole by Rhodococcus rhodochrous. Applied and Environmental Microbiology 70: 6315-6319. doi: 10.1128/AEM.70.10.6315-6319.2004
  16. Hooper J.N.A., Van Soest R.W.M. 2002. Systema Porifera: a guide to the classification of sponges. New York: Kluwer Academic. doi: 10.1002/aqc.593
  17. Jenke-Kodama H., Dittmann E. 2009. Evolution of metabolic diversity: insights from microbial polyketide synthases. Phytochemistry 70: 1858-1866. doi: 10.1016/j.phytochem.2009.05.021
  18. Kaluzhnaya O.V., Itskovich V.B., McCormack G.P. 2011. Phylogenetic diversity of bacteria associated with the endemic freshwater sponge Lubomirskia baicalensis. World Journal of Microbiology and Biotechnology 27: 1955-1959. doi: 10.1007/s11274-011-0654
  19. Kaluzhnaya O.V., Itskovich V. B. 2014. Phylogenetic diversity of microorganisms associated with the deep-water sponge Baikalospongia intermedia. Russian Journal of Genetics 50: 667-676. doi: 10.1134/S1022795414060052
  20. Kaluzhnaya O.V., Krivich A.A., Itskovich V.B. 2012. Diversity of 16S rRNA genes in metagenomic community of the freshwater sponge Lubomirskia baicalensis. Russian Journal of Genetics 48: 851-854. doi: 10.1134/S1022795412070058
  21. Kaluzhnaya O.V., Kulakova N.V., Itskovich V.B. 2012. Diversity of polyketide synthase (PKS) genes in metagenomic community of freshwater sponge Lubomirskia baicalensis. Molecular Biology (Rus.) 46: 792-797. doi: 10.1134/S002689331206009X
  22. Khan Z, Shafique M., Nawaz H.R. et al. 2019. Bacillus tequilensis ZMS-2: a novel source of alkaline protease with antimicrobial, anti-coagulant, fibrinolytic and dehairing potentials. Pakistan Journal of Pharmaceutical Sciences 32: 1913-1918.
  23. Kozhov M.M. 1962. Biologiya ozera Baikal [Biology of Lake Baikal]. Moscow: Akad. Nauk SSSR. (in Russian)
  24. Kulakova N., Sakirko M., Adelshin R. et al. 2018. Brown rot syndrome and changes in the bacterial community of the Baikal sponge Lubomirskia baicalensis. Microbial Ecology 75: 1024-1034. doi: 10.1007/s00248-017-1097-5.
  25. Lang S., Winfried Beil W., Tokuda H. et al. 2004. Improved production of bioactive glucosylmannosyl-glycerolipid by sponge-associated Microbacterium species. Marine Biotechnology 6: 152-156. doi: 10.1007/s10126-003-0009-5
  26. Lee H., Kim D.U., Park S. et al. 2017. Massilia chloroacetimidivorans sp. nov., a chloroacetamide herbicide-degrading bacterium isolated from soil. Antonie van Leeuwenhoek 110: 751-758. doi: 10.1007/s10482-017-0845-3
  27. Lee L.-H., Goh B.-H., Chan K.-G. 2020. Actinobacteria: prolific producers of bioactive metabolites. Frontiers in Microbiology 11. doi: 10.3389/fmicb.2020.01612
  28. Love G.D., Grosjean E., Stalvies C. et al. 2009. Fossil steroids record the appearance of Demospongiae during the Cryogenian period. Nature 457: 718-721. doi: 10.1038/nature07673
  29. Manivasagan P., Venkatesan J., Kannan Sivakumar K. et al. 2014. Pharmaceutically active secondary metabolites of marine actinobacteria. Microbiological Research 169: 262-278. doi: 10.1016/j.micres.2013.07.014
  30. Nacoulma A.P., Vandeputte O.M., De Lorenzi M. et al. 2013. Metabolomic-based study of the leafy gall, the ecological niche of the phytopathogen Rhodococcus fascians, as a potential source of bioactive compounds. International Journal of Molecular Sciences 14: 12533-12549. doi: 10.3390/ijms140612533
  31. Newton R.J., Jones S.E., Eiler A. 2011. A guide to the natural history of freshwater lake bacteria. Microbiology and Molecular Biology Reviews 75: 14-49. doi: 10.1128/MMBR.00028-10
  32. Nookongbuta P., Kantachotea D., Khuongab N.Q. et al. 2020. The biocontrol potential of acid-resistant Rhodopseudomonas palustris KTSSR54 and its exopolymeric substances against rice fungal pathogens to enhance rice growth and yield. Biological Control 150. doi: 10.1016/j.biocontrol.2020.104354
  33. Parfenova V.V., Terkina I.A., Kostornova T.Ya. et al. 2008. Microbial community of freshwater sponges of Lake Baikal. Biology Bulletin 35(4): 374-379. doi: 10.1134/S1062359008040079
  34. Photolo M., Mavumengwana V., Sitole L. et al. 2020. Antimicrobial and antioxidant properties of a bacterial endophyte, Methylobacterium radiotolerans MAMP 4754, isolated from Combretum erythrophyllum seeds. International Journal of Microbiology 2: 1-11. doi: 10.1155/2020/9483670
  35. Ribes M., Jiménez E., Yahel G. et al. 2012. Functional convergence of microbes associated with temperate marine sponge. Environmental Microbiology 14: 1224-1239. doi: 10.1111/j.1462-2920.2012.02701.x
  36. Seo E.-Y., Jung D., Belykh O.I. et al. 2016. Comparison of bacterial diversity and species composition in three endemic Baikalian sponges. Annual Limnology 52: 27-32. doi: 10.1051/limn/2015035
  37. Su P. 2014. Isolation and diversity of natural product biosynthetic genes of cultivable bacteria associated with marine sponge Mycale sp. from the coast of Fujian. Microbiology 60: 217-225. doi: 10.1139/cjm-2013-0785
  38. Su P., Feng T., Zhou X. et al. 2015. Isolation of Rhp-PSP, a member of YER057c/YjgF/UK114 protein family with antiviral properties, from the photosynthetic bacterium Rhodopseudomonas palustris strain JSC-3b. Scientific Reports 5. doi: 10.1038/srep16121
  39. Tancos M.A., Sechler A.J., Davis E.W. et al. 2019. The identification and conservation of tunicaminyluracil-related biosynthetic gene clusters in several Rathayibacter species collected from Australia, Africa, Eurasia, and North America. Frontiers in Microbiology 10. doi: 10.3389/fmicb.2019.02914
  40. Taylor M.W., Radax R., Steger D. et al. 2007. Sponge-associated microorganisms: evolution, ecology, and biotechnological potential. Microbiology and Molecular Biology Reviews 7: 295-347. doi: 10.1128/MMBR.00040-06
  41. Tshishonga K., Serepa-Dlamini M.H. 2020. Draft genome sequence of Pseudarthrobacter phenanthrenivorans Strain MHSD1, a bacterial endophyte isolated from the medicinal plant Pellaea calomelanos. Evolutionary Bioinformatics Online 16. doi: 10.1177/1176934320913257
  42. Weisz J.B., Lindquist N., Martens C.S. 2008. Do associated microbial abundances impact marine demosponge pumping rates and tissue densities? Oecologia 155: 367-376. doi: 10.1007/s00442-007-0910-0 123
  43. Wilkinson C.R., Garrone G., Vacelet J. 1984. Marine sponges discriminate between food bacteria and bacterial symbionts: electron microscope radioautography and in situ evidence. Proceedings of the Royal Society of London. Series B 220: 519-528. doi: 10.1098/rspb.1984.0017
  44. Xu F.-F., Morohoshi T., Wang W.-Z. et al. 2014. Evaluation of intraspecies interactions in biofilm formation by Methylobacterium species isolated from pink-pigmented household biofilms. Microbes and Environments 29: 388-392. doi: 10.1264/jsme2.ME14038
  45. Zeng H., Chen R., Luo X. et al. 2016. Isolation and anti- Verticillium dahliae activity from Bacillus axarquiensis TUBP1 protein. Process Biochemistry 51: 1691-698. doi: 10.1016/j.procbio.2016.06.014
  46. Zhao K., Penttinen P., Guan T. et al. 2011. The diversity and anti-microbial activity of endophytic actinomycetes isolated from medicinal plants in Panxi plateau, China. Current Microbiology 62: 182-190. doi: 10.1007/s00284-010-9685-3

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Kaluzhnaya O.V., Lipko I.A., Itskovich V.B.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».