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ISME Communications Band 3, Artikelnummer: 57 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Cyanobakterien sind sauerstoffhaltige photosynthetische Bakterien, die einen wesentlichen Teil der globalen Primärproduktion leisten. Einige Arten sind für katastrophale Umweltereignisse, sogenannte Blüten, verantwortlich, die infolge globaler Veränderungen in Seen und Süßwasserkörpern immer häufiger auftreten. Die genotypische Vielfalt wird als wesentlich für die marine Cyanobakterienpopulation angesehen, da sie es ihr ermöglicht, mit räumlich-zeitlichen Umweltschwankungen umzugehen und sich an bestimmte Mikronischen im Ökosystem anzupassen. Dieser Aspekt wird jedoch bei der Untersuchung der Blütenentwicklung unterschätzt und in Studien zur Ökologie schädlicher Cyanobakterien kaum berücksichtigt. Hier verglichen wir die Genome von vier Stämmen von Aphanizomenon gracile, einer Art filamentöser, toxinogener Cyanobakterien (Nostocales), die weltweit in Süß- und Brackwasser vorkommt. Aus einer einzigen Wasserprobe wurden millimetergroße Faszikel isoliert und seit 2010 in Kultur gehalten. Eine vergleichende Studie ergab trotz ähnlicher Genomgröße und hoher Ähnlichkeitsindizes eine große Heterogenität im Geninhalt. Diese Variationen waren hauptsächlich mit mobilen genetischen Elementen und biosynthetischen Genclustern verbunden. Für einige der letzteren bestätigte die Metabolomanalyse die Produktion verwandter Sekundärmetaboliten wie Cyanotoxine und Carotinoide, von denen angenommen wird, dass sie eine grundlegende Rolle für die Fitness von Cyanobakterien spielen. Insgesamt zeigten diese Ergebnisse, dass es sich bei einer A. gracile-Blüte um eine äußerst vielfältige Population auf geringer räumlicher Ebene handeln könnte, und warfen Fragen zum möglichen Austausch essentieller Metaboliten zwischen Individuen auf.

Der ökologische Erfolg von Cyanobakterien ist zum Teil ein Ergebnis der intraspezifischen Diversität von Ökotypen [1,2,3], d Variationen in ihrem Lebensraum. Phylogenetische Schlussfolgerungen, die auf einzelnen (z. B. Internal Transcribed Spacer, ITS) oder mehreren Genen basieren, ermöglichen die Gruppierung dieser Ökotyp-Mitglieder innerhalb einer Klade, was die Auswahl aufgrund adaptiver Fähigkeiten nahelegt. Hinsichtlich des Gengehalts können die Ökotypen jedoch auch deutliche Abweichungen voneinander aufweisen. Beispielsweise unterscheiden sich die Gensätze, die an der Phosphorassimilation beteiligt sind, einem wesentlichen abiotischen Faktor für das Wachstum von Cyanobakterien, zwischen Ökotypen aus P-reichen oder P-limitierten aquatischen Ökosystemen [4,5,6]. Für die gut untersuchten Cyanobakterienarten Prochlorochoccus marinus (Synecoccales) und Microcystis aeruginosa (Chroococcales) kann ein einzelner Ökotyp auch viele Stämme mit unterschiedlichen Genotypen enthalten. Diese sogenannte Mikrodiversität beruht bei diesen Arten in erster Linie auf einer hohen genomischen Plastizität [7], die teilweise durch mobile genetische Elemente gesteuert wird [7,8,9] und vermutlich an der Anpassung von Individuen an bestimmte Mikronischen beteiligt ist [10]. .

Aphanizomenon gracile ist ein stickstofffixierendes filamentöses Cyanobakterium, das Faszikel bilden kann und für toxische Blüten in Süßwasser- und Brackwasserökosystemen verantwortlich ist. Es gehört zur Ordnung Nostocales, über die keine Daten zur genetischen Diversität innerhalb der Population vorliegen. In dieser Studie haben wir die Genome von vier A. gracile-Stämmen sequenziert, die aus einer einzigen Wasserprobe isoliert wurden, um die Diversität innerhalb der Population auf geringer räumlicher Ebene zu hinterfragen.

Wir sequenzierten und zusammengesetzten die Genome von vier A. gracile-Stämmen (PMC627.10, PMC638.10, PMC644.10 und PMC649.10), die zunächst aus einer einzigen Wasserprobe isoliert und in Monokultur gehalten wurden (siehe ergänzende Methoden). Die resultierenden Genome zeigten eine nahezu perfekte Vollständigkeit (von 99,18 % für PMC649.10 bis 100 % für PMC638.10), bestanden jedoch aufgrund von a aus zahlreichen Sequenzen zwischen 65 (PMC627.10) und 238 (PMC644.10). große Anzahl wiederholter Sequenzen. Die vier Genome waren in Größe (5,40 ± 0,03 Mb), GC-Gehalt (38,35 ± 0,05 %) und Anzahl der tRNAs (von 40 bis 42) sehr ähnlich (Tabelle 1). Jeder Stamm hatte mit den anderen eine minimale Sequenzähnlichkeit von 99,86 % mit dem 16S-rRNA-kodierenden Gen, während die ITS-Sequenzen alle identisch waren (Abb. S1). Auf der Ebene des gesamten Genoms wurde die Nähe zwischen den Stämmen durch paarweise ANI (durchschnittliche Nukleotididentität, Tabelle 1) mit Werten ≥99,12 % gestützt. Ein solches Maß an Ähnlichkeit führt normalerweise zu der Schlussfolgerung, dass verwandte Organismen zur gleichen operativen taxonomischen Einheit und damit zum gleichen Ökotyp gehören wie das phylogenetisch weit entfernte einzellige marine Pico-Cyanobakterium Prochlorococcus marinus, dessen Mikrodiversität gründlich untersucht wurde [11]. . Da keine physiologischen Daten vorliegen, die die Ökotypen der A. gracile-Stämme bestätigen, ermöglichen uns diese Ergebnisse, die interne Variabilität der A. gracile-Stämme im Kontext der Mikrodiversität zu interpretieren.

Trotz des Fehlens offensichtlicher Unterschiede zwischen genetischen Markern ergab die vergleichende Genomik Unterschiede zwischen den Stämmen. Ein eindrucksvolles Beispiel dafür ist der niedrige Syntenie-Index von 77,01 ± 1,31 %, ähnlich dem, der bei 12 Microcystis aeruginosa-Stämmen berichtet wurde, die aus entfernten geografischen Standorten entnommen wurden (76 ± 4 %) [7]. Wie am Beispiel von PMC627.10 gezeigt, waren die Variationen des Syntenieindex entlang des Genoms signifikant mit der Häufigkeitsverteilung der COGs verbunden (Chi-Quadrat-Test nach Pearson, p < 2,2e−16), was bedeutet, dass die niedrige Syntenie auf das Vorhandensein oder Fehlen zurückzuführen war von stammspezifischen Genen statt intragenomischer Umlagerungen (Abb. 1a). Insgesamt war das Kerngenom von den 5911 in allen Genomen vorhergesagten COGs (4972 ± 28 pro Stamm; Tabelle 1) nur bei 67,97 % (4018) vertreten (Abb. 1b). Die akzessorische Genfraktion bestand aus fast der Hälfte (48,54 %) Singletons, also stammspezifischen Genen (zwischen 192 und 305 pro Genom). Die letztere Fraktion war signifikant an Genen angereichert, die für prokaryotische Abwehrsysteme und Transposasen kodieren. Diese Unterkategorien von „Replikation, Rekombination und Reparatur“ (COG-Kategorie L) sowie Orphans (t-Test H0: kein Unterschied, p < 0,01) werden üblicherweise als Marker mobiler genetischer Elemente betrachtet, die hier möglicherweise an der genomischen Plastizität im Aphanizomenon beteiligt sind. Bemerkenswerterweise waren COGs im Zusammenhang mit der Biosynthese von Sekundärmetaboliten (COG-Kategorie Q) auch in akzessorischen Fraktionen angereichert (Abb. 1c).

a Darstellung des PMC627.10 A. gracile-Genoms vom inneren zum äußeren Kreis: (i) die kodierende DNA-Sequenz (CDS) auf beiden Strängen mit biosynthetischen Genclustern (BGCs) in Schwarz, (ii) Häufigkeit (%) von CDS-assoziierten Clustern orthologer Gene (COGs) in den vier A. gracile-Genomen, (iii) dem Syntenieindex und (iv) den größten (>10 kb) zusammengesetzten Gerüsten, die >99 % des Genoms darstellen. b Venn-Diagramm der Verteilung von COGs und Singletons mit weißen Etiketten. c Prozentsatz der COG-Funktionskategorien mit signifikanten Unterschieden (Student-t-Test mit p < 0,01) zwischen Kern- (weiß) und flexiblen (rot) Gensätzen, einschließlich eines Schwerpunkts auf der COG-Kategorie „Replikation, Rekombination und Reparatur“ (L). COG-Kategorien: B-"Chromatinstruktur/-dynamik", C-"Energieproduktion/-umwandlung", E-"Aminosäurestoffwechsel/-transport", F-"Nukleotidstoffwechsel/-transport", G-"Kohlenhydratstoffwechsel/-transport", H - „Coenzym-Metabolismus“, I- „Lipid-Metabolismus“, J- „Translation“, O- „Posttranslationale Modifikation/Proteinumsatz/Chaperonfunktionen“, P- „Anorganischer Ionentransport/Metabolismus“, Q- „Sekundärstoffwechsel“ und S-"Funktion unbekannt". d Vorhandensein oder Fehlen von BGCs (COG-Kategorie Q) unter A. gracile-Stämmen und geschlossenen Nostocales-Taxa, gesammelt nach BGC-Typen („-“, nicht charakterisiertes Produkt). Die ausgefüllten Kreise zeigen BGCs an, deren Produkte formal durch Massenspektrometrie identifiziert wurden. Links: Phylogenomischer Baum (siehe Ergänzende Methoden und Tabelle S1 für die Liste der verwendeten Gene). Rechts: Histogramm mit der Anzahl der BGCs nach Stamm, gefärbt nach BGC-Typ. NRPS/PKS nicht-ribosomale Peptidsynthetase/Polyketidsynthetase, ribosomal synthetisierte RiPPs, posttranslational modifizierte Peptide, Terpene und andere (nicht charakterisiert). Die Listen der in jedem Stamm nachgewiesenen BGC und Analyten finden Sie in den Ergänzungstabellen S2 bzw. S3.

Die Untersuchung von A. gracile-Sekundärmetaboliten-Biosynthese-Genclustern (BGC) ergab, dass ihr Repertoire für jeden A. gracile-Stamm einzigartig war, wobei nur 8 BGCs allen Stämmen von insgesamt 22 verschiedenen BGCs gemeinsam waren, die in diesen Genomen charakterisiert sind (Abb. 1d). Obwohl variabel, schien die Zusammensetzung dieses BGC-Satzes im Nostocales-Baum kladenassoziiert zu sein, da die Anzahl der mit A. gracile-Genomen gemeinsamen BGCs mit zunehmender Entfernung von ihrer Klade im phylogenetischen Baum abnahm. Akzessorische BGCs waren insbesondere an der Produktion von Carotinoiden und Shinorinen beteiligt, die beide an mehreren Anpassungsprozessen beteiligt sind, darunter Lichtschutz [12, 13], sowie an Cyanotoxinen (z. B. Puwainaphycine und Saxitoxine), deren Produktion in den zugehörigen Kulturen durch hochauflösende Massenspektrometrie bestätigt wurde (Abb. S2, Tabelle S3). Obwohl nicht gut charakterisiert, wird angenommen, dass Cyanotoxine eine Schlüsselrolle bei der Anpassung spielen, angesichts der hohen Kosten für die Aufrechterhaltung von BGC im Genom und des Ressourcenbedarfs für ihre Produktion. Beispielsweise wird angenommen, dass Saxitoxine, die in unserer Studie nur von den Stämmen PMC 627.10 und PMC 638.10 aus ihren 26,5 kb langen BGC synthetisiert wurden, die Na+-Homöostase regulieren und unter Salzstressbedingungen nachweislich aktiv extrazellulär exportiert werden [14]. .

Schließlich zeigte die Gruppe der akzessorischen Gene mit auflösenden funktionellen Annotationen auf der Ebene des Gennamens potenzielle Diskrepanzen bei wichtigen Stoffwechselwegen wie dem Schwefelstoffwechsel und der Regulierung der Photosynthese, obwohl sie nicht zu den COG-Kategorien gehörten, die in der flexiblen Fraktion angereichert waren (Supplementary). Ergebnisse und Tabelle S4).

Nach zehn Jahren in Kultur könnte die genetische Drift in gewissem Maße für die beobachtete genomische Vielfalt zwischen den Stämmen verantwortlich sein (z. B. [15]). Da jedoch die Anzahl der Proteine ​​im Pangenom viel höher ist als die der einzelnen A. gracile-Stämme, was durch deren Genomgröße eingeschränkt wird, spiegelt diese Diversität wahrscheinlich die tatsächliche genomische Diversität in der natürlichen Population wider, wie bereits auf dieser Ebene beobachtet wurde einzelner Markergene wie sxtA [16]. Unsere Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die Mikrodiversität innerhalb der Population ein Merkmal sein könnte, das weitgehend innerhalb des Stammes der Cyanobakterien vorhanden ist. Einerseits impliziert das Vorhandensein akzessorischer Gene im Zusammenhang mit der Regulierung der Photosynthese und des Schwefelstoffwechsels, dass viele Stämme mit unterschiedlichen Anpassungsfähigkeiten bis zur Blütenentwicklung gedeihen und auf geringer räumlicher Ebene gleichzeitig auftreten können. Andererseits legt die Variabilität zwischen den Stämmen bei der Produktion essentieller Sekundärmetaboliten, für die biosynthetische Gene besonders reich an akzessorischen Genfraktionen sind, nahe, dass einige dieser Moleküle von den produzierenden Stämmen an die umgebenden Cyanobakterien weitergegeben werden könnten, was die Population ermöglicht um von ihren adaptiven Funktionen zu profitieren und gleichzeitig den Ressourcenbedarf für Einzelpersonen zu begrenzen. Daher könnte die Bewertung des Ausmaßes der Artenvielfalt innerhalb einer blühenden Cyanobakterienpopulation ein Eckpfeiler für die Etablierung eines ganzheitlichen theoretischen Rahmens für die Dynamik toxinogener Cyanobakterienblüten sein.

PMC-Stämme sind auf Anfrage erhältlich (https://mcam.mnhn.fr/en/cyanobacteria-and-live-microalgae-1281). Rohdaten wurden in der GENBANK Sequence Read Archive (SRA)-Datenbank unter dem BioProject PRJNA693796 sowie in A. gracile-Genomassemblys (JAQSYX000000000, JAQSYY000000000, JAQSYZ000000000, JAQSZA000000000) hinterlegt.

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Referenzen herunterladen

SH möchte Claude Yéprémian für die Weitergabe seines umfangreichen Wissens über Cyanobakterien danken. Die Autoren danken den „Cyanobacteria and Eukaryotic Microalgae Collections“ und der „Plateau Technique de Spectrométrie de Masse Bio-organique“ (UMR 7245 MCAM) des MNHN, Paris, Frankreich.

Diese Arbeit wurde durch das ATM-Stipendium „ECOL-Cyanomique“ der AVIV-Abteilung des MNHN, Paris, unterstützt. SKT wurde durch einen ATER-Zuschuss des MNHN finanziert.

Nationalmuseum für Naturgeschichte, CNRS, UMR7245 Mechanisms of Communication and Adaptation of Microorganisms, 12 rue Buffon, 75005, Paris, Frankreich

Sébastien Halary, Sébastien Duperron, Sandra Kim Tiam, Charlotte Duval, Cécile Bernard und Benjamin Marie

UMR5557 Labor für Mikrobielle Ökologie, Universität Lyon, 43 Tage vom 11. November 1918, Villeurbanne, F-69622, Lyon, Frankreich

Sandra Kim Tiam

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BM und SH haben diese Studie konzipiert. CD führte eine Biomassekultur und DNA-Extraktion durch. SH führte Bioinformatik durch. SKT und BM führten Metabolomics durch. SH, BM, SD und CB analysierten die Ergebnisse. SH hat den Artikel mit den Beiträgen aller Co-Autoren verfasst.

Korrespondenz mit Sébastien Halary.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Halary, S., Duperron, S., Kim Tiam, S. et al. Genomische Diversität innerhalb der Population des blütenbildenden Cyanobakteriums Aphanizomenon gracile auf niedriger räumlicher Ebene. ISME COMMUN. 3, 57 (2023). https://doi.org/10.1038/s43705-023-00263-3

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Eingegangen: 23. November 2022

Überarbeitet: 09. Mai 2023

Angenommen: 24. Mai 2023

Veröffentlicht: 07. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s43705-023-00263-3

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