Abstract With an ever-increasing amount of (meta)genomic data being deposited in sequence databases, (meta)genome mining for natural product biosynthetic pathways occupies a critical role in the discovery of novel pharmaceutical drugs, crop protection agents and biomaterials. The genes that encode these pathways are often organised into biosynthetic gene clusters (BGCs). In 2015, we defined the Minimum Information about a Biosynthetic Gene cluster (MIBiG): a standardised data format that describes the minimally required information to uniquely characterise a BGC. We simultaneously constructed an accompanying online database of BGCs, which has since been widely used by the community as a reference dataset for BGCs and was expanded to 2021 entries in 2019 (MIBiG 2.0). Here, we describe MIBiG 3.0, a database update comprising large-scale validation and re-annotation of existing entries and 661 new entries. Particular attention was paid to the annotation of compound structures and biological activities, as well as protein domain selectivities. Together, these new features keep the database up-to-date, and will provide new opportunities for the scientific community to use its freely available data, e.g. for the training of new machine learning models to predict sequence-structure-function relationships for diverse natural products. MIBiG 3.0 is accessible online at https://mibig.secondarymetabolites.org/.

ABSTRACT The rhizosphere, which serves as the primary interface between plant roots and the soil, constitutes an ecological niche for a huge diversity of microbial communities. Currently, there is little knowledge on the nature and the function of the different metabolites released by rhizospheric microbes to facilitate colonization of this highly competitive environment. Here, we demonstrate how the production of galbonolides, a group of polyene macrolides that inhibit plant and fungal Inositol Phosphorylceramide Synthase (IPCS), empowers the rhizospheric Streptomyces strain AgN23, to thrive in the rhizosphere by triggering the plant’s defence mechanisms. Metabolomic analysis of AgN23-inoculated Arabidopsis roots revealed a strong induction in the production of an indole alkaloid, camalexin, which is a major phytoalexin in Arabidopsis . By using a plant mutant compromised in camalexin synthesis, we show that camalexin production is necessary for the successful colonization of the rhizosphere by AgN23. Conversely, hindering galbonolides biosynthesis in AgN23 knock-out mutant resulted in loss of inhibition of IPCS, a deficiency in plant defence activation, notably the production of camalexin, and a strongly reduced development of the mutant bacteria in the rhizosphere. Together, our results identified galbonolides as important metabolites mediating rhizosphere colonisation by Streptomyces . Abstract Figure Graphical Abstract Model summarizing the mode of action of galbonolides in stimulating plant defence to support AgN23 colonization of the rhizosphere. Galbonolides secretion by Streptomyces sp. AgN23 trigger Inositol Phosphoceramide Synthase (IPCS) inhibition in Arabidopsis root cells (orange arrow). The resulting raise in Ceramide precursors of the IPCS may result in the different defence responses associated to AgN23: Hypersensitive Responses (HR), Salicylic Acid (SA) signalling, nuclear Ca 2+ influx, defence gene expression and camalexin biosynthesis. This production of camalexin (blue arrow) exert a positive effect on AgN23 growth in the rhizosphere, presumably by restricting the growth of bacterial and fungal competitors sensitive to this phytoalexin. In addition, galbonolides secretion in the rhizosphere may also directly interfere with fungal competitors of AgN23.

Abstract The rhizosphere, which serves as the primary interface between plant roots and the soil, constitutes an ecological niche for a huge diversity of microbial communities. Currently, there is little knowledge on the nature and the function of the different metabolites released by rhizospheric microbes to facilitate colonization of this highly competitive environment. Here, we demonstrate how the production of galbonolides, a group of polyene macrolides that inhibit plant and fungal inositol phosphorylceramide synthase (IPCS), empowers the rhizospheric Streptomyces strain AgN23, to thrive in the rhizosphere by triggering the plant’s defence mechanisms. Metabolomic analysis of AgN23-inoculated Arabidopsis roots revealed a strong induction in the production of an indole alkaloid, camalexin, which is a major phytoalexin in Arabidopsis. By using a plant mutant compromized in camalexin synthesis, we show that camalexin production is necessary for the successful colonization of the rhizosphere by AgN23. Conversely, hindering galbonolides biosynthesis in AgN23 knock-out mutant resulted in loss of inhibition of IPCS, a deficiency in plant defence activation, notably the production of camalexin, and a strongly reduced development of the mutant bacteria in the rhizosphere. Together, our results identified galbonolides as important metabolites mediating rhizosphere colonization by Streptomyces.

Abstract Streptomycetes are Gram-positive actinobacteria largely represented in the plant root microbiota. The genetic determinants involved in the presence of Streptomyces in the rhizosphere are mostly unknown but can rely on the ability to release phytohormones, degrade plant cell-wall polysaccharides and produce specialised metabolites. Here we sequenced the genome of the rhizospheric and plant defence-stimulating strain Streptomyces sp. AgN23. We found out that it belongs to the soil and plant root dwelling S. violaceusniger clade. The genome annotation of AgN23 revealed the ability of the bacterium to synthesise auxin, a major regulator of plant development, to degrade plant cell wall with a large repertoire of carbohydrate degrading enzymes and to produce antimicrobials (rustmicin, mediomycin, niphimycin, nigericin) and plant bioactive compounds (nigericin, echosides, elaiophylin) through a set of biosynthetic gene clusters. We also found that these genomic features are well-conserved among members of the S. violaceusniger clade. In addition, AgN23 display original events of biosynthetic gene clusters acquisitions and losses which may account for its beneficial effect on plants. Taken together, our work supports the hypothesis that hydrolytic enzymes and specialised metabolites repertoires underpin the interaction of bacteria belonging to the S. violaceusniger clade with plant roots within the rhizosphere. Impact statement Streptomycetes are filamentous Gram-positive bacteria universally found around and within host plant tissues. These actinobacteria have been extensively investigated for their tremendous ability to produce diverse specialised metabolites (e.g., antibiotics). By contrast their impact on host plant physiology is widely neglected. Whether specific lineage of Streptomyces colonise host plant and what are the underlying molecular mechanisms is poorly documented. Here we report a chromosome-scale assembly of AgN23 genome, a Streptomyces sp. strain previously characterised for its ability to activate the plant immune system. This reference sequence enabled us to position AgN23 in the S. violaceusniger clade from which several representatives have been isolated worldwide from the rhizosphere of unrelated plants. Comparative genomic studies suggest that S. violaceusniger spp. produce a prominent CAZyome with expansion of plant cell wall degrading enzymes families and a conserved specialised metabolism acting on host plant physiology and its rhizospheric microbiota. These genomic features may underly S. violaceusniger spp. adaptation to the rhizopsheric niche. Data summary The raw reads sequences of AgN23 genome are available at NCBI on the Sequence Read Archive portal for PacBio and MiSeq data (SRR13990229 and SRR14028548 respectively). The Genome assembly is available on the NCBI nucleotide portal under the accession NZ_CP007153.1. This genome sequence was uploaded on the MicroScope platform for genome annotation and analysis ( https://mage.genoscope.cns.fr/microscope/home/index.php ) [1]. The RNA-seq raw reads are archived in the NCBI Bioproject PRJNA745930. The following eight supplementary tables are included in the online version of this article. Supplementary Information 1: Genomes used in this study. The accession number used from the NCBI portal, name, size, number of contigs as well as the level of completeness of the assembly are indicated. Supplementary Information 2: List of the single copy core genes used by autoMLST to build the phylogenetic tree in Figure 1. Supplementary information 3: Annotation of AgN23 full chromosome. For each gene the frame of translation, sequence length and position on the chromosome are indicated. All genes were annotated according to the Microscope platform, see materials and methods. In addition, the expression for each gene is reported in transcripts per million (TPM) based on the the RNA-seq data from three biological replicates. Supplementary Information 4: Genomes having a Mash-based estimated ANI (Average Nucleotide Identity) superior or egal to 80% according to autoMLST. Supplementary Information 5: Prediction of the CAZyme encoding genes using HMMER dbCAN2. The genes are sorted according their CAZy families. For each gene, the begin position on the chromosome, the CAZy category, the annotation, the expression level in transcripts per million (TPM) and the predicted targets of the putative enzymes are described. Supplementary Information 6: Gene identified by antiSMASH in the region containing a biosynthetic gene cluster. Expression levels in transcripts per million (TPM) are indicated for each gene. Annotated central bioynthetic genes are indicated as Y. Those are the ones used for the calculation of mean BGC expression in Table 2. Supplementary Information 7: Annotation of AgN23 genes putatively involved in biosynthetic pathways for Auxins related phytohomones. Expression levels in transcripts per million (TPM) are indicated for each gene. The genes were detected by blasting reference KEGG sequences for each KEGG ONTOLOGY against AgN23 genes. A cut off of 70% identity and 40% coverage was applied to detect positive hits. These biosynthetic pathways and the KEGG ONTOLOGY are indicated in column F and G. Supplementary Information 8: Inspection of BiG-FAM hits with AgN23 BGCs to identify homologous BGCs found outside the S. violaceusniger clade. BiG-FAM distance higher than 900 were excluded from the analysis. The authors confirm all supporting data, code and protocols have been provided within the article or through supplementary data files .