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ISME 커뮤니케이션 3권, 기사 번호: 57(2023) 이 기사 인용

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시아노박테리아는 전 세계 1차 생산의 상당 부분을 수행하는 산소 광합성 박테리아입니다. 일부 종은 전 지구적인 변화의 결과로 호수와 담수 수역에서 점점 더 흔해지는 꽃이라고 불리는 재앙적인 환경 사건을 담당합니다. 유전형 다양성은 해양 시아노박테리아 개체군에 필수적인 것으로 간주되어 시공간 환경 변화에 대처하고 생태계의 특정 마이크로 틈새에 적응할 수 있습니다. 그러나 이러한 측면은 개화 발달 연구에서 과소평가되었으며 유해한 남조류의 생태 연구에서는 거의 주목되지 않았습니다. 여기에서 우리는 담수와 기수에서 전 세계적으로 발견되는 사상성 독소를 생성하는 시아노박테리아(노스토칼레스)의 종인 Aphanizomenon gracile의 4가지 계통의 게놈을 비교했습니다. 밀리미터 크기의 다발은 단일 물 샘플에서 분리되었으며 2010년부터 배양에서 유지되었습니다. 비교 연구에서는 유사한 게놈 크기와 높은 유사성 지수에도 불구하고 유전자 함량의 광범위한 이질성이 밝혀졌습니다. 이러한 변이는 주로 이동성 유전 요소 및 생합성 유전자 클러스터와 관련이 있습니다. 후자 중 일부의 경우, 대사체 분석을 통해 시아노톡신 및 카로티노이드와 같은 관련 2차 대사산물의 생성이 확인되었으며, 이는 시아노박테리아 적합성에 근본적인 역할을 하는 것으로 생각됩니다. 전체적으로, 이러한 결과는 A. gracile 꽃이 낮은 공간 규모에서 매우 다양한 개체군이 될 수 있음을 보여 주며 개인 간의 필수 대사 산물의 잠재적 교환에 대한 의문을 제기했습니다.

시아노박테리아의 생태학적 성공은 부분적으로 생태형의 종내 다양성의 결과입니다[1,2,3]. 개체 그룹은 온도 및 빛 강도와 같은 환경 요인에 대해 긴밀한 성장 최적점을 공유하여 개체군이 시공간적 환경에 대처할 수 있게 합니다. 서식지의 변화. 단일(예: 내부 전사 스페이서, ITS) 또는 다중 유전자를 기반으로 한 계통발생적 추론을 통해 이러한 생태형 구성원을 계통군 내에서 그룹화할 수 있으며 이는 적응 능력에 대한 선택을 제안합니다. 그러나 유전자 함량 측면에서 생태형은 서로 상당한 차이를 보일 수도 있습니다. 예를 들어, 시아노박테리아 성장에 필수적인 비생물적 요인인 인 동화에 관여하는 유전자 세트는 P가 풍부한 생태형과 P가 제한된 수생 생태계 사이에서 갈라집니다[4,5,6]. 잘 연구된 시아노박테리아 종인 Proclochoccus marinus(Synechococcales)와 Microcystis aeruginosa(Chroococcales)의 경우 단일 생태형에는 뚜렷한 유전형을 가진 많은 균주가 포함될 수도 있습니다. 소위 미세다양성(Microdiversity)은 주로 이들 종의 높은 게놈 가소성에 의존하고[7] 부분적으로는 이동성 유전적 요소에 의해 구동되며[7,8,9] 특정 마이크로 틈새에 대한 개인의 적응에 관여하는 것으로 추정됩니다[10] .

Aphanizomenon gracile은 다발을 형성할 수 있는 질소 고정 사상형 시아노박테리움이며 담수 및 기수 수생 생태계에서 독성 꽃을 피우는 원인이 됩니다. 이는 Nostocales 목에 속하며 개체군 내 유전적 다양성에 대한 데이터는 없습니다. 이 연구에서 우리는 낮은 공간 규모에서 인구 내 다양성에 의문을 제기하기 위해 단일 물 샘플에서 분리된 A. gracile 4종의 게놈 서열을 분석했습니다.

우리는 단일 물 샘플에서 먼저 분리되고 단일 배양으로 유지되는 4개의 A. gracile 균주(PMC627.10, PMC638.10, PMC644.10 및 PMC649.10)의 게놈을 서열 분석하고 조립했습니다(보충 방법 참조). 생성된 게놈은 거의 완벽한 완전성을 나타냈지만(PMC649.10의 경우 99.18%에서 PMC638.10의 경우 100%), 65(PMC627.10)에서 238(PMC644.10) 사이의 수많은 서열로 구성되었습니다. 반복되는 시퀀스의 수가 많습니다. 4개의 게놈은 크기(5.40 ± 0.03 Mb), GC 함량(38.35 ± 0.05%) 및 tRNA 수(40 ~ 42)가 매우 유사했습니다(표 1). 각 균주는 16S rRNA 코딩 유전자와 99.86%의 최소 서열 유사성을 다른 균주와 공유하는 반면, ITS 서열은 모두 동일했습니다(그림 S1). 전체 게놈 수준에서, 균주 간의 근접성은 값이 99.12% 이상인 쌍별 ANI(평균 뉴클레오티드 동일성, 표 1)에 의해 뒷받침되었습니다. 이러한 수준의 유사성은 일반적으로 관련 유기체가 동일한 운영 분류 단위에 속하며 계통 발생적으로 멀리 떨어진 해양 단세포 피코시아노박테리움인 프로클로로코쿠스 마리누스(Pro클로로코커스 마리누스)와 동일한 생태형에 속한다는 결론으로 ​​이어지며, 여기서 미세다양성이 철저히 연구되었습니다[11] . A. gracile 균주의 생태형을 확인하는 생리학적 데이터가 없는 경우, 이러한 발견을 통해 우리는 미세 다양성 맥락에서 A. gracile 균주의 내부 변동성을 해석할 수 있습니다.