Characterization of a patulin producing Penicillium paneum OM1 Isolated from Pears and Its Whole Genome Sequencing Analysis

Abstract

Mycotoxins are harmful substances generated naturally by some species of fungi. Their incidence and toxicity have been a big concern to humans and animals. Mycotoxins can contaminate cereals and fruits. The high moisture and sugar content of most fruits promotes fungal development and mycotoxin production, resulting in severe fruit contamination. Apples and pears are frequently infected by fungi and contaminated with mycotoxins such as patulin (PAT), making their quality low, long-term PAT exposure can result in a number of toxicity outcomes, including acute toxicity, chronic toxicity, and cytotoxicity. Penicillium expansum is the primary source of the PAT that contaminates pome fruits such as apples and pears. In this study, a novel PAT producing fungal strain P. paneum OM1 was isolated from pears. The effect of various temperatures (5°C, 10°C, 15°C, 20°C, 25°C, and 30°C), pH levels (3.5, 4.5, 5, and 6), and relative humidity (92% and 97%) on the growth of P. paneum OM1 and its PAT was investigated using Pear Puree Agar Media (PPAM). The optimal growth temperature for species was 25°C, while the optimum temperature for PAT production was 20°C. Furthermore, the optimal pH for both PAT production and fungal growth was found to be 4.5, and the ideal relative humidity for those was 97%. After P. paneum OM1 was cultured, under the optimal conditions for PAT production, its whole gene was sequenced using a state-of-the-art Oxford Nanopore technology platform. Its genome size was 2716 Mb. The genome of P. paneum OM1 was compared with eight other published fungal genomes by genomic analysis, phylogenetic analysis, and genome synteny analysis. P. paneum OM1 exhibited the highest similarity in the genome structure to P. expansum ATCC 24692. P. paneum OM1 showed the closest evolutionary relationship with P. digitatum Pd1, while it showed a more distant genetic relationship with P. griseofulvum PG3. Thirty clusters of genes for the biosynthesis of secondary metabolites (SM) of the species were also identified on the genome of P. paneum OM1. One of them, the PAT gene cluster was found to comprise a complete set of 15 PAT genes. The gene clusters responsible for PAT production in P. paneum OM1 exhibit structural similarity to those found in the other PAT-producing fungi. The findings of this study provide important information to understand the molecular basis of SM biosynthesis, specifically PAT biosynthesis, in P. paneum OM1. Further research will help find effective strategies to reduce PAT contamination in fruits for the supply of safe and high-quality food.|곰팡이독소는 특정 종류의 곰팡이에 의해 자연적으로 생성되는 유해 물질이며 그 발생 및 독성은 인간과 동물에게 큰 문제가 되어 왔다. 곰팡이독소는 곡물과 과일을 오염시킬 수 있는데 대부분의 과일중의 높은 수분 및 당 함량은 곰팡이 발생 및 이에 의한 독소 생성을 촉진하여 심각한 과일 오염을 초래한다. 사과와 배는 특히 곰팡이에 오염되고 파툴린과 같은 독소에 오염되어 품질이 저하되며, 파툴린에 장기간 노출되면 급성 독성, 만성 독성 및 세포 독성을 포함한 다양한 독성 결과를 초래할 수 있다. Penicillium expansum은 사과와 배와 같은 과실류를 오염시키는 파툴린의 주요 생성곰팡이이다. 이 연구에서는 먼저 파툴린를 생산하는 곰팡이 균주 P. paneum OM1를 배에서 새롭게 분리한후 그 특성을 분석하였다. 다양한 온도 (5°C, 10°C, 15°C, 20°C, 25°C 및 30°C), pH 값 (3.5, 4.5, 5 및 6), 상대습도 (92% 및 97%)가 P. paneum OM1의 성장 및 파툴린의 생성에 미치는 영향을 배 배지(PPAM)를 이용하여 연구하였다. P. paneum OM1의 최적 성장 온도는 25°C이며, 파툴린 생성의 최적온도는 20°C이었다. 또한, 파툴린 생성과 균의 성장에 대한 최적 pH 값은 4.5이며, 이상적인 상대습도는 97%이었다. 파툴린를 생성하는 최적 조건에서 P. paneum OM1을 배양한 후, 최첨단 Oxford Nanopore 기술을 사용하여 전장 유전체 시퀀싱을 진행했다. P. paneum OM1게놈의 크기는 27.16 Mb였으며, 게놈 분석, 계통 발생 분석 및 게놈 호몰로지 분석을 통해 P. paneum OM1의 게놈을 다른 8개의 진균 게놈과 비교했다. P. paneum OM1은 P. expansum ATCC 24692와 게놈 구조의 유사성이 가장 높았다. P. paneum OM1은 P. digitatum Pd1과의 진화적 관계가 가장 밀접하였으며, P. griseofulvum PG3와는 유전적 연관성이 상대적으로 떨어졌다. P. paneum OM1의 게놈에서 30개의 이차 대사 산물 생합성 유전자 클러스터가 발견되었다. 그 중 파툴린유전자 클러스터는 15개의 완전한 파툴린 합성 유전자로 구성되었다. P. paneum OM1에서 파툴린생성을 담당하는 유전자 클러스터는 구조적으로 다른 파툴린 생성 곰팡이에서 발견된 것과 구조적 유사성을 나타내었다. 이 연구의 결과은 P. paneum OM1에서 이차 대사 산물 생합성, 특히 파툴린생합성의 분자적 기초를 이해하기 위한 중요한 정보를 제공하며, 이 연구를 기반으로 다양한 추가 연구는 파툴린에 의한 과일 오염을 감소시켜 안전하고 고품질의 식품을 제공하기위한 효과적인 전략을 찾는 데 도움이 될 것이다.