Identification, phylogenetic analysis, and genome mining of the tetracycline-resistant Bacillus thuringiensis strain m401 reveal its potential for biotechnological and biocontrol application

Abstract

Bacillus thuringiensis es un microorganismo entomopatógeno perteneciente al clado Bacillus cereus. En este trabajo, aislamos de miel una cepa resistente a tetraciclina y la identificamos como Bacillus thuringiensis sv. kumamotoensis (Bt m401) mediante comparación de genomas completos y cálculo de identidad promedio de nucleótidos (ANIb), utilizando la base de datos EDGAR. Este resultado fue corroborado por el análisis filogenético del gen gyrB, que permite diferenciar serovares de B. thuringiensis. Se confirmó la presencia del gen de resistencia a tetraciclina tet(45) en el cromosoma bacteriano y se identificaron secuencias homólogas a genes de virulencia (cytK, nheA, nheB, nheC, hblA, hblB, hblC, hblD y entFM). El mobiloma de Bt m401 está constituido por 4 plásmidos y se identificaron secuencias homólogas a reguladores transduccionales (MarR y TetR/AcR), a toxinas (Cry1 y zeta toxin) y a péptidos antimicrobianos (mersacidin family lantibiotics). La cepa Bt m401 demostró una muy buena actividad antagónica in vitro contra distintos genotipos de Paenibacillus larvae, agente causal de la loque americana de las abejas. El estudio de minería genómica para grupos de genes biosintéticos reveló 12 regiones de clústeres de genes responsables de la síntesis de metabolitos secundarios. Se identificaron clústeres que codifican bacteriocinas, sideróforos, RiPP-like y NRPS y lantipéptidos. En conclusión, Bt m401 presentó una amplia variedad de genes que estarían involucrados en diferentes procesos biológicos, con un potencial interesante para su empleo en aplicaciones biotecnológicas.

Bacillus thuringiensis is an entomopathogen belonging to the Bacillus cereus clade. We isolated a tetracycline-resistant strain called m401, recovered it from honey, and identified it as Bacillus thuringiensis sv. kumamotoensis based on the average nucleotide identity calculations (ANIb) comparison and the analysis of the gyrB gene sequences of different B. thuringiensis serovars. Sequences with homology to virulence factors [cytK, nheA, nheB, nheC, hblA, hblB, hblC, hblD, entFM, and inhA] and tetracycline resistance genes [tet(45), tet(V), and tet(M)/tet(W)/tet(O)/tet(S) family] were identified in the bacterial chromosome. The prediction of plasmid-coding regions revealed homolog sequences to the MarR and TetR/AcrR family of transcriptional regulators, toxins, and lantipeptides. The genome mining analysis revealed 12 regions of biosynthetic gene clusters responsible for synthesizing secondary metabolites. We identified biosynthetic gene clusters coding for bacteriocins, siderophores, ribosomally synthesized post-translationally modified peptide products, and non-ribosomal peptide synthetase clusters that provide evidence for the possible use of Bt m401 as a biocontrol agent. Furthermore, Bt m401 showed high inhibition against all Paenibacillus larvae genotypes tested in vitro. In conclusion, Bt m401 owns various genes involved in different biological processes, such as transductional regulators associated with antibiotic resistance, toxins, and antimicrobial peptides with potential biotechnological and biocontrol applications.