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ISME Communications volume 3、記事番号: 57 (2023) この記事を引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

シアノバクテリアは酸素発生型光合成細菌であり、世界の一次生産のかなりの部分を担っています。一部の種はブルームと呼ばれる壊滅的な環境現象の原因となっており、地球規模の変化の結果として湖や淡水域でこの現象がますます一般的になってきています。遺伝子型の多様性は海洋シアノバクテリアの個体群にとって不可欠であると考えられており、海洋ラン藻個体群が時空間的環境変動に対処し、生態系内の特定のマイクロニッチに適応することを可能にします。しかし、この側面はブルームの発生の研究では過小評価されており、有害なシアノバクテリアの生態の研究ではほとんど注目されていません。今回我々は、世界中の淡水および汽水域で見られる糸状毒素産生性シアノバクテリア（Nostocales）の一種であるアファニゾメノン・グラシルの4株のゲノムを比較した。ミリメートルサイズの束が単一の水サンプルから単離され、2010 年以来培養下で維持されています。比較研究により、ゲノムサイズが類似し、類似性指数が高いにもかかわらず、遺伝子内容に広範な不均一性があることが明らかになりました。これらの変異は主に可動性の遺伝要素と生合成遺伝子クラスターに関連していました。後者の一部については、メタボローム解析により、シアノトキシンやカロテノイドなどの関連する二次代謝産物の生成が確認され、これらはシアノバクテリアの適応度において基本的な役割を果たすと考えられています。まとめると、これらの結果は、A. gracile ブルームが低い空間スケールで非常に多様な集団である可能性があることを実証し、個体間の必須代謝物の交換の可能性について疑問を引き起こしました。

シアノバクテリアの生態学的成功は、部分的には生態型の種内多様性の結果である [1,2,3]。生態型は、個体群が温度や光の強さなどの環境要因に対して密接な成長最適条件を共有しており、これによって個体群が時空間的変化に対処できるようになっている。彼らの生息地のバリエーション。単一遺伝子（例、内部転写スペーサー、ITS）または複数の遺伝子に基づく系統発生学的推論により、これらのエコタイプメンバーをクレード内にグループ化することができ、適応能力の選択が示唆されます。ただし、遺伝子の内容に関しては、エコタイプが相互に大きな相違を示す場合もあります。たとえば、シアノバクテリアの増殖に必須の非生物的因子であるリンの同化に関与する遺伝子セットは、リンが豊富な水生生態系またはリンが制限された水生生態系の生態型間で分岐します[4、5、6]。よく研究されているシアノバクテリア種である Prochromochoccus marinus (Synechococcales) と Microcystis aeraginosa (Chroococcales) では、1 つの生態型に異なる遺伝子型を持つ多くの菌株が含まれる場合もあります。このいわゆる微小多様性は、主にこれらの種の高いゲノム可塑性 [7] に依存しており、部分的には可動性の遺伝要素によって駆動され [7,8,9]、特定の微小ニッチへの個体の適応に関与していると考えられています [10] 。

アファニゾメノングラシルは、束を形成できる窒素固定糸状ラン藻で、淡水および汽水域の生態系で有毒なブルームを発生させる原因となります。それはノストカル目に属しますが、遺伝的集団内の多様性に関するデータは入手できません。この研究では、低空間スケールでの集団内の多様性を疑問視するために、単一の水サンプルから分離された A. gracile の 4 株のゲノム配列を決定しました。

最初に単一の水サンプルから単離され、単一培養で維持された 4 つの A. gracile 株 (PMC627.10、PMC638.10、PMC644.10、および PMC649.10) のゲノムを配列決定して組み立てました (補足方法を参照)。得られたゲノムは、ほぼ完璧な完全性 (PMC649.10 の 99.18% から PMC638.10 の 100%) を示しましたが、65 (PMC627.10) から 238 (PMC644.10) までの多数の配列で構成されていました。多数の繰り返しシーケンス。 4 つのゲノムは、サイズ (5.40 ± 0.03 Mb)、GC 含量 (38.35 ± 0.05%)、および tRNA の数 (40 ～ 42) において非常に類似していました (表 1)。各株は、16S rRNAコード遺伝子に関して99.86％の最小配列類似性を他の株と共有しましたが、ITS配列はすべて同一でした（図S1）。全ゲノムレベルでは、株間の近接性はペアワイズ ANI (平均ヌクレオチド同一性、表 1) の値 ≥99.12% によって裏付けられました。このようなレベルの類似性は通常、関連する生物が同じ操作上の分類単位に属し、ひいては系統発生的に遠い海洋単細胞ピコシアノバクテリアであるプロクロロコッカス・マリヌスと同じ生態型に属するという結論につながります。プロクロロコッカス・マリヌスでは微小多様性が徹底的に研究されています[11]。。 A. グラシル株の生態型を確認する生理学的データが存在しない中で、これらの発見により、微小多様性の状況における A. グラシル株の内部変動性を解釈することが可能になります。

遺伝子マーカー間に自明の違いがないにもかかわらず、比較ゲノミクスにより株間の相違が明らかになりました。これを顕著に示すのは、77.01 ± 1.31% という低いシンテニーインデックスであり、地理的に離れた場所からサンプリングされた 12 個の Microcystis aeraginosa 株の間で報告されているもの (76 ± 4%) と同様です。 PMC627.10 で例示されているように、ゲノムに沿ったシンテニー指数の変動は COG の頻度分布と有意に関連していました (ピアソンのカイ二乗検定、p < 2.2e−16)。ゲノム内再構成ではなく、株特異的遺伝子の再構成を行っています（図 1a）。合計すると、すべてのゲノムで予測された 5911 個の COG (株あたり 4972 ± 28; 表 1) のうち、コアゲノムはそのうちの 67.97% (4018 個) のみで表されました (図 1b)。アクセサリー遺伝子画分は、ほぼ半分 (48.54%) のシングルトン、すなわち株特異的遺伝子 (ゲノムごとに 192 ～ 305) で構成されていました。後者の画分には、原核生物の防御システムおよびトランスポザーゼをコードする遺伝子が著しく豊富でした。「複製、組換え、修復」のこれらのサブカテゴリー（COG カテゴリ L）およびオーファン（t 検定 H0: 差なし、p < 0.01）は、通常、可動性遺伝要素のマーカーと考えられており、ここではアファニゾメノンのゲノム可塑性に潜在的に関与しています。注目すべきことに、二次代謝産物の生合成に関連するCOG（COGカテゴリーQ）も付属画分に富んでいました（図1c）。

a PMC627.10 A. gracile ゲノムの表示。内側から外側の円に向かって表示：（i）黒色の生合成遺伝子クラスター（BGC）を持つ両鎖のコード DNA 配列（CDS）、（ii）頻度（%） 4 つの A. gracile ゲノムにおける CDS 関連オーソロガス遺伝子クラスター (COG) の数、(iii) シンテニーインデックス、および (iv) ゲノムの >99% を表す最大 (>10kb) 組み立てられた足場。 b 白いラベルが付いた COG とシングルトンの分布のベン図。 c「複製、組換え、修復」COGカテゴリー（L）に焦点を当てた、コア（白）遺伝子セットとフレキシブル（赤）遺伝子セット間で有意差のあるCOG機能カテゴリーの割合（p < 0.01のスチューデントのt検定）。 COGカテゴリー：B-「クロマチンの構造・動態」、C-「エネルギー生成・変換」、E-「アミノ酸代謝・輸送」、F-「ヌクレオチド代謝・輸送」、G-「炭水化物代謝・輸送」、H -「補酵素代謝」、I-「脂質代謝」、J-「翻訳」、O-「翻訳後修飾・タンパク質代謝回転・シャペロン機能」、P-「無機イオン輸送・代謝」、Q-「二次代謝」、S-「機能不明」。 d BGCタイプによって収集されたA. gracile株および閉鎖Nostocales分類群におけるBGC（COGカテゴリーQ）の有無（「-」、特徴付けられていない製品）。黒丸は、その生成物が質量分析によって正式に同定された BGC を示します。左: 系統樹 (使用した遺伝子のリストについては補足方法と表 S1 を参照)。右: BGC タイプごとに色分けされた株別の BGC 数を表示するヒストグラム。 NRPS/PKS 非リボソームペプチドシンセターゼ/ポリケチドシンテターゼ、RiPP リボソーム合成、翻訳後修飾ペプチド、テルペン、その他 (特性不明)。各菌株で検出された BGC と分析物のリストは、それぞれ補足表 S2 と S3 にあります。

A. グラシル二次代謝産物生合成遺伝子クラスター (BGC) の研究により、そのレパートリーが各 A. グラシル株に固有であり、これらのゲノムで特徴付けられる合計 22 の異なる BGC のうち、すべての株に共通する BGC は 8 個のみであることが明らかになりました (図 1)。 1d）。可変ではあるが、この BGC セットの構成は、系統樹における A. gracile ゲノムと共通の BGC の数がそのクレードからの距離が増すにつれて減少したため、Nostocales ツリーではクレードに関連しているように見えました。アクセサリーBGCは特に、光防御[12、13]を含むいくつかの適応プロセスに関係するカロテノイドとシノリン、およびシアノトキシン（プワイナフィシンやサキシトキシンなど）の生成に関与しており、関連する培養物中での生成は高分解能質量分析法によって確認された(図S2、表S3)。シアノトキシンは十分に特徴づけられていないが、ゲノム内の BGC 維持にかかるコストとその生産に必要な資源を考慮すると、適応において重要な役割を果たしていると考えられている。例えば、我々の研究ではPMC 627.10株とPMC 638.10株によって26.5kbの長さのBGCから合成されただけであるサキシトキシンは、Na + 恒常性を調節すると推定されており、塩分ストレス条件下で活発に細胞外に輸出されることが証明されている[14]。。

最後に、遺伝子名レベルで解像度の高い機能注釈が付いたアクセサリー遺伝子のグループは、柔軟な画分に富むCOGカテゴリーに属していなかったものの、硫黄代謝や光合成の制御などの重要な代謝経路における潜在的な不一致を明らかにしました（補足）結果および表S4)。

10 年間の培養後、遺伝的浮動が菌株間で観察されるゲノム多様性にある程度関与している可能性があります (例 [15])。しかし、パンゲノム内のタンパク質の数は、ゲノムサイズによって制約される個々の A. gracile 株のタンパク質の数よりもはるかに多いため、この多様性は、すでにレベルで観察されているように、おそらく自然集団における真のゲノム多様性を反映しています。 sxtA などの個々のマーカー遺伝子の分析 [16]。我々の結果は、集団内の微小多様性がシアノバクテリア門内で主に共有される特徴である可能性があるという結論につながりました。一方で、光合成と硫黄代謝の調節に関連するアクセサリー遺伝子の存在は、多様な適応能力を持つ多くの株が開花まで繁栄し、低空間スケールで共生できることを示唆している。一方で、生合成遺伝子がアクセサリー遺伝子画分に特に豊富に含まれる必須の二次代謝産物の生産における株間のばらつきは、これらの分子の一部が生産株によって周囲のシアノバクテリアに共有され、集団の増殖を可能にする可能性があることを示唆しています。個人のリソース要件を制限しながら、適応機能の恩恵を受けることができます。したがって、開花したシアノバクテリア集団内の生物多様性の程度の評価は、毒素産生性シアノバクテリアのブルームの動態の全体的な理論的枠組みを確立するための基礎となる可能性があります。

PMC 株はご要望に応じて入手可能です (https://mcam.mnhn.fr/en/cianobacteria-and-live-microalgae-1281)。生のリードは、BioProject PRJNA693796 および A. gracile ゲノムアセンブリ (JAQSYX000000000、JAQSYY000000000、JAQSYZ000000000、JAQSZA000000000) の下で GENBANK Sequence Read Archive (SRA) データベースに保管されました。

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SH は、シアノバクテリアに関する広範な知識を共有してくれたクロード・イエプレミアンに感謝します。著者らは、フランス、パリの MNHN の「Cyanobacteria and Eukaryotic Microalgae Collections」および「Plateau Technique de Spectrométrie de Masse Bio-organique」(UMR 7245 MCAM) に感謝します。

この研究は、パリの MNHN の AVIV 部門からの ATM 補助金「ECOL-Cyanomique」によって支援されました。 SKT は MNHN からの ATER 助成金によって資金提供されました。

国立自然史博物館、CNRS、UMR7245 微生物の通信メカニズムと適応、12 rue Buffon、75005、パリ、フランス

セバスチャンハラリー、セバスチャンデュペロン、サンドラキムティアム、シャルロットデュヴァル、セシルベルナール & ベンジャミンマリー

UMR5557 微生物生態学研究所、リヨン大学、43 ベッドデュ 1918 年 11 月 11 日、ヴィルールバンヌ、F-69622、リヨン、フランス

サンドラ・キム・ティアム

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BM と SH がこの研究を考案しました。 CD はバイオマス培養と DNA 抽出を実施しました。 SH はバイオインフォマティクスを実施しました。 SKTとBMはメタボロミクスを実施した。 SH、BM、SD、CBが結果を分析した。 SH は、共著者全員の協力を得てこの論文を執筆しました。

セバスチャン・ハラリーへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Halary, S.、Duperron, S.、Kim Tiam, S. 他ブルーム形成シアノバクテリア、アファニゾメノングラシルの集団内ゲノム多様性（低空間スケール）。イズムコミュ。 3、57（2023）。 https://doi.org/10.1038/s43705-023-00263-3

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受信日: 2022 年 11 月 23 日

改訂日: 2023 年 5 月 9 日

受理日: 2023 年 5 月 24 日

公開日: 2023 年 6 月 7 日

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

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