Comparative and Pangenome Analysis of Penicillium spp. of Various Habitats Focusing on Meju = 메주를 중심으로 한 다양한 서식지의 Penicillium 종들의 비교 및 판게놈 분석

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 메주에서 분리된 Penicillium 균주와 다양한 서식지에서 분리된 균주들에 대한 생리적, 유전적 특성을 종합적으로 분석하여 이들 균주가 발효 과정에서 가지는 잠재적 역할을 규명하고자 하였습니다. Penicillium 속 곰팡이는 다양한 자연 및 인위적 환경에서 서식할 수 있는 높은 적응력을 지니며, 유기물 분해와 영양 순환 과정에서 중요한 생태적 역할을 수행합니다. 특히, 토양, 식물 잔해, 음식, 발효 제품 등에서 빈번히 발견되며, 발효 식품인 메주에서도 다양한 효소를 통해 특유의 풍미와 향을 형성하는 데 기여합니다.
본 연구에서는 팬게놈 분석을 통해 메주에서 분리된 Penicillium 균주와 다른 환경에서 분리된 균주들의 유전자 구성을 비교함으로써 발효 과정에 중요한 유전적 및 기능적 다양성을 밝히고자 했습니다. 이 분석 결과는 메주와 같은 콩 발효 환경이 Penicillium 속 균주들에 선택적 압력을 가하여 콩 분해에 유리한 효소 유전자를 보유하게끔 만들었음을 시사합니다. 특히, 메주에서 분리된 P. polonicum MJ1229 균주는 다른 서식지의 균주들보다 콩 분해 관련 효소 유전자 비율이 높아 콩 발효 과정에서 중요한 역할을 할 가능성이 높음을 보여줍니다. 이는 메주에서 분리된 Penicillium 균주의 약 40%가 P. polonicum이라는 관찰 결과와도 일치하며, 메주 발효 과정에 최적화된 균주로서의 잠재적 가능성을 강조합니다.
또한, 본 연구는 Penicillium 속 균주의 생태적 역할과 전통 발효 식품에서의 응용 가능성을 탐색하는 데 기여하며, 이를 통해 메주와 같은 전통 식품의 품질 향상뿐 아니라, 새로운 발효 스타터 개발의 기반을 제공합니다. 이러한 연구 결과는 발효 메커니즘에 대한 이해를 높이고, 다양한 산업 및 환경 공정에서 Penicillium 균주의 지속 가능한 활용 가능성을 제고할 것입니다. 연구의 결과는 발효 산업의 발전에 중요한 기여를 할 것으로 기대되며, 농업, 식품, 생명공학 등 여러 분야에서 Penicillium 균주의 응용 가능성을 확장하는 데 기초 자료로 활용될 수 있습니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we conducted a comprehensive analysis of Penicillium strains isolated from meju and various other habitats to explore their physiological and genetic characteristics and to determine their potential roles in the fermentation process. Penicillium species are known for their high adaptability to a wide range of natural and anthropogenic environments, where they play an essential ecological role in organic matter decomposition and nutrient cycling. These fungi are frequently found in soil, decomposing plant material, food, and fermented products, including meju, where they contribute to unique flavors and aromas through enzyme production. This study utilized pangenome analysis to compare the gene profiles of Penicillium strains isolated from meju with those from other environments, aiming to uncover the genetic and functional diversity relevant to fermentation. The results suggest that soybean-based environments like meju may exert selective pressures on Penicillium species, encouraging the retention of genes beneficial for soybean degradation. Notably, P. polonicum MJ1229, isolated from meju, demonstrated a higher ratio of soybean-degrading enzyme genes than strains from other habitats, indicating its significant potential role in soybean fermentation. This observation aligns with findings that approximately 40% of Penicillium strains isolated from meju are P. polonicum, suggesting this species is particularly well-adapted to soybean-rich environments. Moreover, this study enhances our understanding of the ecological role of Penicillium and its potential applications in traditional fermentation processes. By shedding light on the genetic traits advantageous for fermentation, this research provides a basis for improving the quality of traditional foods like meju and developing new fermentation starters. These findings are expected to contribute significantly to advancing the fermentation industry and promoting the sustainable use of Penicillium species in various industrial and environmental applications. The insights gained from this study have broad implications for agriculture, food science, biotechnology, and other fields that could benefit from the adaptive capabilities of Penicillium species.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ INTRODUCTION 1
• Ⅱ MATERIALS AND METHODS 3
• 1 Isolation of Penicillium spp. from meju 3
• 2 Genomic analysis of Penicillium spp. 4
• 2.1 Genome sequencing and assembly 4
• 2.2 Gene prediction and annotation 4
• 2.3 Genome sequences of Penicillium originated from meju and other habitats 5
• 2.4 Assembly completeness assessment 9
• 2.5 Average Nucleotide Identity (ANI) analysis 9
• 2.6 Ortholog and phylogeny analysis 10
• 2.7 Enzyme profile prediction analysis 10
• 2.8 Pangenome analysis 11
• Ⅲ RESULTS 12
• 1 Whole-genome analysis of 44 Penicillium spp.: Structure, Similarity, and Evolution 12
• 2 Adaptation of enzyme profiles to fermentation environments 17
• 2.1. Predicting CAZymes in Penicillium and their Impact on Soybean Fermentation 17
• 2.2. Predicting proteases in Penicillium and their impact on soybean fermentation 23
• 2.3. Predicting unsaturated fatty acid related enzymes corresponding to soybean substrates in Penicillium spp. 29
• 2.4 Gene flavor-related enzyme analysis of Penicillium strains from meju and cheese. 32
• 3 Pangenome analysis of Penicillium genus 38
• Ⅳ DISCUSSION 44
• Ⅴ REFERENCES 47
• Ⅵ ABSTRACT IN KOREAN 50