キムチ発酵のパンゲノムとメタトランスクリプトームが明らかにしたラクトバチルス・サケイのゲノムと代謝の特徴

Genomic and metabolic features of Lactobacillus sakei as revealed by its pan-genome and the metatranscriptome of kimchi fermentation.

• Kyung Hyun Kim
• Byung Hee Chun
• Ju Hye Baek
• Seong Woon Roh
• Se Hee Lee
• Che Ok Jeon

抄録

Lactobacillus sakeiの汎ゲノムを用いて、キムチ発酵のメタトランスクリプトームを解析することで、Lactobacillus sakeiのゲノムと代謝の特徴を調べた。ゲノムベースの関連性解析では、Lb. sakei ssp. sakeiとLb. sakei ssp. carnosusの系統群に分けて解析を行った。ゲノム解析および代謝経路解析の結果，すべてのLb.sakei株は、d-グルコース、d-フルクトース、d-ガラクトース、スクロース、d-ラクトース、l-アラビノース、l-アラビノース、セロビオースからd/l-乳酸、エタノール、アセテート、CO、ギ酸、l-マレート、ジアセチル、アセトイン、2,3-ブタンジオールを生産する能力を有していた。一方、d-マルトース、d-キシロース、l-キシルロース、d-ガラクトロン酸、d-グルクロン酸の代謝能力は株ごとに異なっていた。すべての菌株は葉酸とチアミンの生合成に関わる遺伝子を持っていたが，生合成アミンと毒素の産生，溶血，抗生物質耐性に関わる遺伝子は同定されなかった．また、メタトランスクリプトーム解析の結果、糖質代謝に関与するLb. sakei転写産物の発現はキムチ発酵の進行に伴って増加しており、Lb. sakeiは発酵後期になると競争力が高まることが示唆された。ホモラクティック発酵経路はキムチ発酵中に高発現で概ね一定であったが，ヘテロラクティック発酵経路の発現は発酵が進むにつれて徐々に増加した．

The genomic and metabolic features of Lactobacillus sakei were investigated using its pan-genome and by analyzing the metatranscriptome of kimchi fermentation. In the genome-based relatedness analysis, the strains were divided into the Lb. sakei ssp. sakei and Lb. sakei ssp. carnosus lineage groups. Genomic and metabolic pathway analysis revealed that all Lb. sakei strains have the capability of producing d/l-lactate, ethanol, acetate, CO, formate, l-malate, diacetyl, acetoin, and 2,3-butanediol from d-glucose, d-fructose, d-galactose, sucrose, d-lactose, l-arabinose, cellobiose, d-mannose, d-gluconate, and d-ribose through homolactic and heterolactic fermentation, whereas their capability of d-maltose, d-xylose, l-xylulose, d-galacturonate, and d-glucuronate metabolism is strain-specific. All strains carry genes for the biosynthesis of folate and thiamine, whereas genes for biogenic amine and toxin production, hemolysis, and antibiotic resistance were not identified. The metatranscriptomic analysis showed that the expression of Lb. sakei transcripts involved in carbohydrate metabolism increased as kimchi fermentation progressed, suggesting that Lb. sakei is more competitive during late fermentation stage. Homolactic fermentation pathway was highly expressed and generally constant during kimchi fermentation, whereas expression of heterolactic fermentation pathway increased gradually as fermentation progressed. l-Lactate dehydrogenase was more highly expressed than d-lactate dehydrogenase, suggesting that l-lactate is the major lactate metabolized by Lb. sakei.

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