Metabolic Potential of Pseudogymnoascus Spp. Fungi

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Biosynthetic gene clusters (BCG) of secondary metabolite biosynthesis in Pseudogymnoascus spp. strains were analyzed using the antiSMASH program (fungal version). It was shown for the first time that the genomes of Pseudogymnoascus fungi contain several dozen BCG of secondary metabolite biosynthesis. Of these, approximately 30% were gene clusters of known metabolites with a similarity of 9‒100%. When cultivating 8 Pseudogymnoascus spp. strains in a mineral medium, 13 metabolites were detected. Five strains had 3‒4 compounds in the spectrum, and three strains biosynthesized the siderophore desferritriacetylfusigen. It was shown that the secondary metabolites synthesized by Pseudogymnoascus spp. strains possess potential biological activity. The highest antibacterial, antifungal, phytotoxic and entomotoxic activity was demonstrated by secondary metabolites of strains VKM F-4513 and F-4517 isolated from Arctic permafrost deposits.

About the authors

T. V. Antipova

Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Federal Research Center “Pushchino Centre for Biological Research”, Russian Academy of Sciences; All-Russian Institute of Plant Protection

Email: tatantip@rambler.ru
Pushchino, Moscow Region, 142290, Russia; Pushkin, Saint-Petersburg, 196608, Russia

V. P. Zhelifonova

Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Federal Research Center “Pushchino Centre for Biological Research”, Russian Academy of Sciences

Pushchino, Moscow Region, 142290, Russia

V. R. Dubovik

All-Russian Institute of Plant Protection

Pushkin, Saint-Petersburg, 196608, Russia

E. G. Lukina

All-Russian Institute of Plant Protection

Pushkin, Saint-Petersburg, 196608, Russia

Q. Hu

South China Agricultural University

Guangzhou, 510642, China

G. A. Kochkina

Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Federal Research Center “Pushchino Centre for Biological Research”, Russian Academy of Sciences

Pushchino, Moscow Region, 142290, Russia

A. O. Berestetskiy

All-Russian Institute of Plant Protection

Pushkin, Saint-Petersburg, 196608, Russia

References

  1. Желифонова В. П., Антипова Т. В., Козловский А. Г. Биосинтез фумихиназолинов грибом Penicillium thymicola // Прикл. биохимия и микробиология. 2012. Т. 48. С. 334‒339.
  2. Zhelifonova V. P., Antipova T. V., Kozlovskii A. G. Biosynthesis of fumiquinazolines by the fungus Penicillium thymicola // Appl. Biochem. Microbiol. 2012. V. 48. P. 302–306. https://doi.org/10.1134/S0003683812030179
  3. Кочкина Г. А., Иванушкина Н. Е., Акимов В. Н., Гиличинский Д. А., Озерская С. М. Галопсихротолерантные грибы рода Geomyces из криопэгов и морских отложений Арктики // Микробиология. 2007. Т. 76. С. 39‒47.
  4. Kochkina G. A., Ivanushkina N. E., Akimov V. N., Gilichinski D. A., Ozerskaya S. M. Halo- and psychrotolerant Geomyces fungi from arctic cryopegs and marine deposits // Microbiology (Moscow). 2007. V. 76. P. 31–38. https://doi.org/10.1134/S0026261707010055
  5. Козловский А. Г., Антипова Т. В., Желифонова В. П., Баскунов Б. П., Иванушкина Н. Е., Кочкина Г. А., Озерская С. М. Вторичные метаболиты грибов секции Usti рода Aspergillus и их использование в хемосистематике // Микробиология. 2017. Т. 86. С. 164‒171.
  6. Kozlovskii A. G., Antipova T. V., Zhelifonova V. P., Baskunov B. P., Ivanushkina N.E, Kochkina G. A., Ozerskaya S. M. Secondary metabolites of fungi of the Usti section, genus Aspergillus and their application in chemosystematics // Microbiology (Moscow). 2017. V. 86. P. 176–182. https://doi.org/10.1134/S0026261717020114
  7. Aguiar M., Orasch T., Shadkchan Y., Caballero P., Pfister J., Sastré-Velásquez L.E., Gsaller F., Decristoforo C., Osherov N., Haas H. Uptake of the siderophore triacetylfusarinine C, but not fusarinine C, is crucial for virulence of Aspergillus fumigatus // mBio. 2022. V. 13. Art. e02192-22. https://doi.org/10.1128/mbio.02192-22
  8. Anke H. Metabolic products of microorganisms. 163. Desferritriacetylfusigen, an antibiotic from Aspergillus deflectus // J. Antibiotics. 1977. V. XXX. № 2. P. 125‒128.
  9. Antipova T. V., Zaitsev K. V., Zhelifonova V. P., Tarlachkov S. V., Grishin Y. K., Kochkina G. A., Vainshtein M. B. The potential of Arctic Pseudogymnoascus fungi in the biosynthesis of natural products // Fermentation. 2023. V. 9. Art. 702. https://doi.org/10.3390/fermentation9080702
  10. Bills G. F., Gloer J. B. Biologically active secondary metabolites from the fungi // Microbiol. Spectr. 2016. V. 4. № 6. FUNK-0009-2016.
  11. Bode H. B., Bethe B., Höfs R., Zeeck A. Big effects from small changes: Possible ways to explore nature’s chemical diversity // ChemBioChem. 2002. V. 3. P. 619–627.
  12. Calixto J. B. The role of natural products in modern drug discovery // An. Acad. Bras. Cienc. 2019. V. 91. Art. e20190105. https://doi.org/10.1590/0001-3765201920190105
  13. da Silva F. M.R., Paggi G. M., Brust F. R., Macedo A. J., Silva D. B. Metabolomic strategies to improve chemical information from OSMAC studies of endophytic fungi // Metabolites. 2023. V. 13. Art. 236. https://doi.org/10.3390/metabo13020236
  14. Dalinova A., Fedorov A., Dubovik V., Voitsekhovskaja O., Tyutereva E., Smirnov S., Kochura D., Chisty L., Senderskiy I., Berestetskiy A. Structure–activity relationship of phytotoxic natural 10-membered lactones and their semisynthetic derivatives // J. Fungi. 2021. V. 7. Art. 829. https://doi.org/10.3390/jof7100829
  15. Das T., Al-Tawaha A.R., Pandey D. K., Nongdam P., Shekhawat M. S., Dey A., Choudhary K., Sahay S. Halophilic, acidophilic, alkaliphilic, metallophilic, and radioresistant fungi: habitats and their living strategies // Extremophilic fungi / Ed. Sahay S. Singapore: Springer, 2022. https://doi.org/10.1007/978-981-16-4907-3_9
  16. Duarte A. W.F., Dos Santos J. A., Vianna M. V., Vieira J. M.F., Mallagutti V. H., Inforsato F. J., Wentzel L. C.P., Lario L. D., Rodrigues A., Pagnocca F. C., Junior A. P., Durães Sette L. Cold-adapted enzymes produced by fungi from terrestrial and marine Antarctic environments // Crit. Rev. Biotechnol. 2018. V. 38. P. 600‒619. https://doi.org/10.1080/07388551.2017.1379468
  17. Ferrara M., Gallo A., Perrone G., Magistà D., Baker S. E. Comparative genomic analysis of ochratoxin A biosynthetic cluster in producing fungi: new evidence of a cyclase gene involvement // Front. Microbiol. 2020. V. 11. Art. 581309. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.581309
  18. Gomes E. C.Q., Godinho V. M., Silva D. A.S., de Paula M. T.R., Vitoreli G. A., Zani C. L., Alves T. M.A., Junior P. A.S., Murta S. M.F., Barbosa E. C., Oliveira J. G., Oliveira F. S., Carvalho C. R., Ferreira M. C., Rosa C. A., Rosa L. H. Cultivable fungi present in Antarctic soils: taxonomy, phylogeny, diversity, and bioprospecting of antiparasitic and herbicidal metabolites // Extremophiles. 2018. V. 22. P. 381–393. https://doi.org/10.1007/s00792-018-1003-1
  19. Gonçalves V. N., Carvalho C. R., Martins L. B.M., Barreto D. L., da Silva B. F., Queiroz S. C., Tamang P., Bajsa-Hirschel J., Cantrell C. L., Duke S.O, Rosa L. H. Bioactive metabolites produced by fungi present in antarctic, arctic, and alpine ecosystems // Fungi bioactive metabolites: Integration of pharmaceutical applications / Singapore: Springer Nature Singapore, 2024. P. 537‒563.
  20. Guo Y. Z., Wei Q., Gao J., Liu B. Y., Zhang T., Hua H. M., Hu Y. C. Metabolites of the psychrophilic fungus Pseudogymnoascus pannorum // Nat. Prod. Res. Dev. 2019. V. 31 P. 446–449.
  21. Haas H. Fungal siderophore metabolism with a focus on Aspergillus fumigatus // Nat. Prod. Rep. 2014. V. 31. P. 1266–1276.
  22. Hang L., Liu N., Tang Y. Coordinated and iterative enzyme catalysis in fungal polyketide biosynthesis // ACS Catalysis. 2016. V. 6. P. 5935–5945. https://doi.org/10.1021/ACSCATAL.6B01559
  23. Hautbergue T., Jamin E. L., Debrauwer L., Puel O., Oswald I. P. From genomics to metabolomics, moving toward an integrated strategy for the discovery of fungal secondary metabolites // Nat. Prod. Rep. 2018. V. 35. P. 147‒173.
  24. Hettiarachchige I. K., Elkins A. C., Reddy P., Mann R. C., Guthridge K. M., Sawbridge T. I., Forster J. W., Spangenberg G. C. Genetic modification of asexual Epichloë endophytes with the perA gene for peramine biosynthesis // Mol. Genet. Genomics. 2019. V. 294. P. 315‒328. https://doi.org/10.1007/s00438-018-1510-x
  25. Hider R. C., Kong X. Chemistry and biology of siderophores // Nat. Prod. Rep. 2010. V. 27. P. 637‒657. https://doi.org/10.1039/b906679a
  26. Hossain M. B. Eng-Wilmot D.L., Loghry R. A. Helm D. Circular dichroism, crystal structure and absolute configuration of the siderophore ferric N,N′,N″- triacetylfusarinine, FeC39H57N6O15 // J. Am. Chem. Soc. 1980. V. 102. P. 5766‒5773. https://doi.org/10.1128/microbiolspec.funk-0009-2016
  27. Keller N. P. Fungal secondary metabolism: regulation, function and drug discovery // Nat. Rev. Microbiol. 2019. V. 17. P. 167–180. https://doi.org/10.1038/s41579-018-0121-1
  28. Kessler S. C., Chooi Y. H. Out for a RiPP: challenges and advances in genome mining of ribosomal peptides from fungi // Nat. Prod. Rep. 2022. V. 39. Р. 222–230. https://doi.org/10.1039/D1NP00048A
  29. Kochkina G., Ivanushkina N., Ozerskaya S., Chigineva N., Vasilenko O., Firsov S., Spirina E., Gilichinsky D. Ancient fungi in Antarctic permafrost environments // FEMS Microbiol. Ecol. 2012. V. 82. P. 501–509. https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.2012.01442.x
  30. Kozlovsky A. G., Zhelifonova V. P., Antipova T. V. Penicillium fungi from permafrost: biosynthesis of secondary metabolites, peculiarities of growth and development // Permafrost: distribution, composition, and impact on infrastructure and ecosystems / Ed. Pokrovsky O. S. New York: Nova Science Publishers, 2014. P. 265–280.
  31. Leushkin E. V., Logacheva M. D., Penin A. A., Sutormin R. A., Gerasimov E. S., Kochkina G. A., Ivanushkina N. E., Vasilenko O. V., Kondrashov A. S., Ozerskaya S. M. Comparative genome analysis of Pseudogymnoascus spp. reveals primarily clonal evolution with small genome fragments exchanged between lineages // BMC Genomics. 2015. V. 16. Art. 400. https://doi.org/10.1186/s12864-015-1570-9
  32. Medina A., Schmidt-Heydt M., Rodríguez A., Parra R., Geisen R., Magan N. Impacts of environmental stress on growth, secondary metabolite biosynthetic gene clusters and metabolite production of xerotolerant/xerophilic fungi // Curr. Genet. 2015. V. 61. P. 325–334. https://doi.org/10.1007/s00294-014-0455-9
  33. Middleton A. J., Cole D. S., MacDonald K.D. A hydroxamic acid from Aspergillus nidulans with antibiotic activity against Proteus species // J. Antibiotic. 1978. V. 31. P. 1110‒1115. https://doi.org/10.7164/antibiotics.31.1110
  34. Mishra B. B., Tiwari V. K. Natural products: an evolving role in future drug discovery // Eur. J. Med. Chem. 2011. V. 46. P. 4769‒4807.
  35. Montanares Oyarce M. M. Identificación de metabolitos de tipo sideróforos del hongo antártico Pseudogymnoascus verrucosus // Tesis (doctora en química). Universidad de Chile. 2024. https://repositorio.uchile.cl/handle/2250/202185
  36. Ogaki M. B., Coelho L. C., Vieira R., Neto A. A., Zani C. L., Alves T. M.A., Junior P. A.S., Murta S. M.F., Barbosa E. C., Oliveira J. G., Ceravolo I. P., Pereira P. O., Cota B. B., Viana R. O., Alves V. S., Rosa L. H. Cultivable fungi present in deep-sea sediments of Antarctica: taxonomy, diversity, and bioprospecting of bioactive compounds // Extremophiles. 2020. V. 24. P. 227–238. https://doi.org/10.1007/s00792-019-01148-x
  37. Oide S., Turgeon B. G. Natural roles of nonribosomal peptide metabolites in fungi // Mycoscience. 2020. V. 61. № 3. P. 101–110. https://doi.org/10.1016/J.MYC.2020.03.001
  38. Palma D., Oliva V., Montanares M., Gil-Durán C., Travisany D., Chávez R., Vaca I. Expanding the toolbox for genetic manipulation in Pseudogymnoascus: RNAi-Mediated silencing and CRISPR/Cas9-Mediated disruption of a polyketide synthase gene involved in red pigment production in P. verrucosus // J. Fungi. 2024. V. 10. Art. 157. https://doi.org/10.3390/jof10020157
  39. Pillay L. C., Nekati L., Makhwitine P. J., Ndlovu S. I. Epigenetic activation of silent biosynthetic gene clusters in endophytic fungi using small molecular modifiers // Front. Microbiol. 2022. V. 13. Art. 815008. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.815008
  40. Romano S., Jackson S. A., Patry S., Dobson A. D.W. Extending the “one strain many compounds” (OSMAC) principle to marine microorganisms // Mar. Drugs. 2018. V. 16. Art. 244.
  41. Rudolf J. D., Chang C. Y. Terpene synthases in disguise: enzymology, structure, and opportunities of non-canonical terpene synthases // Nat. Prod. Rep. 2020. V. 37. P. 425‒463. https://doi.org/10.1039/c9np00051h
  42. Salimova D., Dalinova A., Dubovik V., Senderskiy I., Stepanycheva E., Tomilova O., Hu Q., Berestetskiy A. Entomotoxic аctivity of the extracts from the fungus, Alternaria tenuissima and its major metabolite, tenuazonic acid // J. Fungi. 2021. V. 7. Art. 774. https://doi.org/10.3390/jof7090774
  43. Satriawan H., Teoh T. C., Rizman-Idid M., Krishnan A., Bakar N. A., Alias S. A. Polar fungi Pseudogymnoascus: secondary metabolites and ecological significance // Chiang Mai J. Sci. 2024. V. 51. Art. e2024043. https://doi.org/10.12982/CMJS.2024.043
  44. Shankar A., Sharma K. K. Fungal secondary metabolites in food and pharmaceuticals in the era of multi-omics // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2022. V. 106. P. 3465–3488. https://doi.org/10.1007/s00253-022-11945-8
  45. Shi T., Yu Y. Y., Dai J. J., Zhang Y. T., Hu W. P., Zheng L., Shi D. Y. New polyketides from the Antarctic fungus Pseudogymnoascus sp. HSX2#-11 // Mar. Drugs. 2021. V. 19. Art. 168. https://doi.org/10.3390/md19030168
  46. Sørensen J. L., Sondergaard T. E., Covarelli L., Fuertes P. R., Hansen F. T., Frandsen R. J.N., Wagma Saei, Lukassen M. B., Wimmer R., Nielsen K. F., Gardiner D. M., Giese H. Identification of the biosynthetic gene clusters for the lipopeptides fusaristatin A and W493 B in Fusarium graminearum and F. pseudograminearum // J. Nat. Prod. 2014. V.77. Р. 2619‒2625.
  47. Stack D., Neville C., Doyle S. Nonribosomal peptide synthesis in Aspergillus fumigatus and other fungi // Microbiology (Reading). 2007. V. 153. P. 1297–1306. https://doi.org/10.1099/MIC.0.2006/006908-0
  48. Staunton J., Weissman K. J. Polyketide biosynthesis: a millennium review // Nat. Prod. Rep. 2001. V. 18. P. 380–416. https://doi.org/10.1039/A909079G
  49. Walsh J. P., DesRochers N., Renaud J. B., Seifert K. A., Yeung K. K., Sumarah M. W. Identification of N,N′,N″-triacetylfusarinine C as a key metabolite for root rot disease virulence in American ginseng // J. Ginseng Res. 2021. V. 45. P. 156‒162. https://doi.org/10.1016/j.jgr.2019.08.008

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».