Eco-evolutionary dynamics sustain a potent yet rare antibiotic gene cluster in Streptomyces

生物 基因簇 种内竞争 背景(考古学) 进化生物学 水平基因转移 基因 适应(眼睛) 遗传学 聚酮 进化动力学 遗传适应性 实验进化 链霉菌 系统发育学 自然选择 恒化器 选择(遗传算法) 生态学 微观世界 表型 计算生物学 人类进化遗传学 生态选择 遗传变异 微进化 进化生态学 环境生物技术 聚酮合酶 遗传建筑学 分子进化 拉伤 星团(航天器) 克莱德 次生代谢 基因组学 否定选择 稳定选择
作者
Jiao Wang,Ning Liu,Mei Liu,Ying Huang
出处
期刊:The ISME Journal [Springer Nature]
卷期号:20 (1)
标识
DOI:10.1093/ismejo/wrag060
摘要

Microbial secondary metabolites have been recognized and utilized for nearly a century. Nevertheless, the eco-evolutionary mechanisms governing their distribution among microorganisms remain largely unresolved. In this study, we examined intraspecific interactions within Streptomyces albidoflavus and identified a strain exhibiting potent antagonistic activity against conspecifics. This "killer" phenotype was attributed to the production of kosinostatin, a hybrid aromatic polyketide antibiotic. Evolutionary genomic analyses provided strong evidence that the kosinostatin biosynthetic gene cluster was horizontally acquired in S. albidoflavus over a relatively short evolutionary timescale, a finding consistent with its sparse distribution within this species, across the genus Streptomyces, and even throughout the phylum Actinomycetota. Using microcosm assays, we demonstrated that the kosinostatin producer outcompeted sensitive conspecifics in liquid culture but not in soil, indicating that environmental context plays a key role in altering the fitness benefits of this cluster. Moreover, the competitive advantage was observed only in the presence of sensitive strains, revealing a trade-off between fitness benefits and metabolic costs. These results highlight the role of context-dependent selection in shaping the evolutionary persistence of the kosinostatin cluster. The current distribution pattern of this cluster in S. albidoflavus likely results from a dynamic interplay of intraspecific horizontal gene transfer, vertical inheritance, and recurrent gene loss. Overall, our findings establish an eco-evolutionary framework that explains the rarity of a potent antibiotic gene cluster in Streptomyces, illustrating how environmental constraints, fitness trade-offs, and gene flux collectively orchestrate the biosynthetic architecture of Streptomyces species.

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