Genomic changes related with the adaptation to thermal environments on the origins of Fischerella thermalis species and other hot spring cyanobacteria
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2023
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Abstract
Los organismos termófilos están ampliamente distribuidos en el árbol de la vida y habitan ambientes extremos como lo son las fuentes termales terrestres. Sin embargo, su polifilia exalta la pregunta sobre qué propiedades genómicas les han permitido adaptarse muchas veces independientemente a este nicho. Uno de los miembros más importantes en un tipo de comunidades microbianas de fuentes termales son las cianobacterias, quienes son capaces de realizar fotosíntesis oxigénica e incluso fijación de nitrógeno. Estas bacterias pueden vivir hasta los 73 °C, y hay tres grupos que han sido largamente estudiados tanto a través de microscopía, aislados en cultivo, secuenciación de genomas, y metagenómica: las unicelulares (por ejemplo, Synechococcus y Thermosynechococcus termófilos), las filamentosas no formadoras de heterocistos (por ejemplo, Thermoleptolyngbya) y las filamentosas ramificadas formadoras de heterocistos (por ejemplo, Fischerella). Aún así, hay una gran falta de información genómica de otros miembros que han sido cultivados o identificados sólo a través de perfiles de 16S rRNA en muestras ambientales. En esta tesis, nuestro objetivo fue descifrar la diversidad de cianobacterias de fuentes termales a través de la recuperación de genomas ensamblados desde metagenomas y también estudiar las características distintivas cuando son comparadas con genomas de cianobacterias no termales, para descubrir sus adaptaciones genómicas y los mecanismos evolutivos potencialmente involucrados en la divergencia hacia ambientes con altas temperaturas. Por lo tanto, hemos recuperado 57 genomas ensamblados desde metagenomas (MAGs por sus siglas en inglés) cianobacterianos de media y alta calidad, provenientes de 21 metagenomas globales de tapetes microbianos fototróficos termales (32 – 75 °C). Estos MAGs se distribuyeron a lo largo de 10 ordenes de un total de 15 en el phylum, y representaron una alta novedad desde el nivel de orden al de especies, donde incluso un 74 % no se pudo asociar a ninguna especie conocida. Junto a los genomas de cianobacterias de fuentes termales y ambientes no termales cercanos a estos MAGs, se realizaron comparaciones en las que observamos claras diferencias como un tamaño de genoma más pequeño, mayor contenido de GC; proteínas más pequeñas, hidrofóbicas y básicas, y una mayor dependencia en los sistemas de defensa tipo CRISPR-cas además de un enriquecimiento en funciones metabólicas como transporte de iones inorgánicos y metabolismo de aminoácidos en los genomas termales. Estas diferencias muestran que las cianobacterias de fuentes termales tienen características genómicas comunes para adaptarse a su ambiente. Además, el mecanismo que les permitió divergir y adaptarse fue estudiado con mayor profundidad en el género Fischerella. Para esto, secuenciamos 4 cepas aisladas y recuperamos 19 MAGs, los que nos permitieron comparar junto a 48 genomas de la NCBI (National Center for Biotechnology Information, USA) un total de 64 genomas termales versus 7 genomas de otros ambientes de este género. Todas las secuencias codificantes fueron clasificadas en cerca de 14.300 ortogrupos (grupos de secuencias ortólogas) de los cuales 2.805 estuvieron presentes en casi todos los genomas (el genoma esencial o core en inglés) y 21 estuvieron presentes en casi todos los genomas termales y ausentes en los no termales (genoma accesorio de Fischerella y esencial termal). Para inferir una posible historia de la adquisición de la termofilia, exploramos principalmente tres mecanismos que son: transferencia horizontal de genes (HGT por sus siglas en inglés), duplicación génica y fijación de mutaciones. Junto con eso, quisimos ver si es que los genes seleccionados podrían tener una correlación con la temperatura a través del reclutamiento de secuencias en 21 muestras de metatranscriptomas ambientales (45 – 66 °C). Nuestros resultados apuntaron al mecanismo de HGT, más que a los otros dos; identificando un gen accessorio de Fischerella y esencial termal potencialmente adquirido por HGT independientemente en dos ramas termales y con una correlación positiva con la temperatura, sugiriendo un posible rol de esta metiltransferasa dependiente de S-adenosil-L-metionina en la adaptación a este ambiente extremo. Por lo tanto, sugerimos una secuencia de eventos en la historia del género Fischerella, el cual a través de la especiación alopátrica de los clados termales, estos divergieron y siguieron distintos mecanismos para lidiar con sus ambientes diferentes a los no termales. Las especies termales de Fischerella parecieron seguir una vía de reducción genómica (genome streamlining en inglés), que ha sido seguida por muchos extremófilos, y tendieron a mantener más estables sus genomas, mientras que el grupo de Fischerella no termal pareció seguir un camino de expansión genómica, siendo susceptibles a la transferencia de plásmidos, HGT y a la actividad de transposasas. Sobretodo, nuestros resultados resaltan el rol de la transferencia lateral de genes (HGT) en las cianobacterias de comunidades microbianas termales como un jugador principal en su adaptación que les condujo a ser parte de los miembros dominantes en los tapetes microbianos de fuentes terrestres termales no ácidas de todo el mundo.
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Tesis (Doctor en Ciencias Biológicas mención Genética Molecular y Microbiología)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2023