Внутри

ISME Communications, том 3, номер статьи: 57 (2023 г.) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Цианобактерии — это оксигенные фотосинтезирующие бактерии, которые выполняют значительную часть глобальной первичной продукции. Некоторые виды ответственны за катастрофические экологические явления, называемые цветением, которые становятся все более распространенными в озерах и пресноводных водоемах вследствие глобальных изменений. Генотипическое разнообразие считается важным для морской популяции цианобактерий, позволяя ей справляться с пространственно-временными изменениями окружающей среды и адаптироваться к конкретным микронишам в экосистеме. Однако этот аспект недооценивается при изучении развития цветения и мало внимания уделяется в исследованиях экологии вредных цианобактерий. Здесь мы сравнили геномы четырех штаммов Aphanizomenon gracile, вида нитчатых токсиногенных цианобактерий (Nostocales), встречающихся по всему миру в пресной и солоноватой воде. Пучки миллиметрового размера были выделены из одной пробы воды и сохраняются в культуре с 2010 года. Сравнительное исследование выявило значительную гетерогенность содержания генов, несмотря на схожий размер генома и высокие показатели сходства. Эти вариации были в основном связаны с мобильными генетическими элементами и кластерами биосинтетических генов. Для некоторых из последних метаболомный анализ подтвердил выработку родственных вторичных метаболитов, таких как цианотоксины и каротиноиды, которые, как полагают, играют фундаментальную роль в приспособленности цианобактерий. В целом эти результаты продемонстрировали, что цветение A. gracile может представлять собой весьма разнообразную популяцию в небольших пространственных масштабах, и подняли вопросы о потенциальном обмене основными метаболитами между особями.

Экологический успех цианобактерий отчасти является результатом внутривидового разнообразия экотипов [1,2,3], групп особей, имеющих близкие оптимумы роста для таких факторов окружающей среды, как температура и интенсивность света, которые позволяют популяции справляться с пространственно-временными изменениями. вариации среды их обитания. Филогенетические выводы, основанные на одном (например, Internal Transcribed Spacer, ITS) или нескольких генах, позволяют группировать этих членов экотипа внутри клады, предполагая отбор по адаптивным способностям. Однако по содержанию генов экотипы также могут существенно отличаться друг от друга. Например, наборы генов, участвующие в ассимиляции фосфора, важного абиотического фактора роста цианобактерий, различаются между экотипами из водных экосистем, богатых P или ограниченных фосфором [4,5,6]. Для хорошо изученных видов цианобактерий Prochromococcus marinus (Synechococcales) и Microcystis aeruginosa (Chroococcales) один экотип также может содержать множество штаммов с различными генотипами. Это так называемое микроразнообразие у этих видов в первую очередь зависит от высокой геномной пластичности [7], частично обусловленной мобильными генетическими элементами [7,8,9] и, как предполагается, участвует в адаптации особей к конкретным микронишам [10]. .

Aphanizomenon gracile представляет собой азотфиксирующую нитчатую цианобактерию, способную образовывать пучки и ответственную за токсичное цветение в пресноводных и солоноватых водных экосистемах. Он принадлежит к отряду Nostocales, о генетическом внутрипопуляционном разнообразии которого нет данных. В этом исследовании мы секвенировали геномы четырех штаммов A. gracile, выделенных из одного образца воды, чтобы подвергнуть сомнению внутрипопуляционное разнообразие в низкопространственном масштабе.

Мы секвенировали и собрали геномы четырех штаммов A. gracile (PMC627.10, PMC638.10, PMC644.10 и PMC649.10), сначала выделенных из одного образца воды и поддерживаемых в монокультуре (см. Дополнительные методы). Полученные геномы демонстрировали почти идеальную полноту (от 99,18% для PMC649.10 до 100% для PMC638.10), но состояли из множества последовательностей, от 65 (PMC627.10) до 238 (PMC644.10), из-за большое количество повторяющихся последовательностей. Четыре генома были очень схожи по размеру (5,40 ± 0,03 Мб), содержанию GC (38,35 ± 0,05%) и количеству тРНК (от 40 до 42) (табл. 1). Каждый штамм имел минимальное сходство последовательностей с остальными, составляющее 99,86%, с геном, кодирующим 16S рРНК, в то время как все последовательности ITS были идентичны (рис. S1). На уровне всего генома близость штаммов подтверждалась парным ANI (средняя идентичность нуклеотидов, таблица 1) со значениями ≥99,12%. Такой уровень сходства обычно приводит к заключению, что родственные организмы принадлежат к одной оперативной таксономической единице и, соответственно, к тому же экотипу, что и филогенетически удаленная морская одноклеточная пикоцианобактерия Prochromococcus marinus, микроразнообразие которой тщательно изучено [11]. . В отсутствие физиологических данных, подтверждающих экотипы штаммов A. gracile, эти данные позволяют интерпретировать внутреннюю изменчивость штаммов A. gracile в контексте микроразнообразия.