Mecanisme genomice pentru toleranta la rece si producerea de exopolizaharide in cianobacteriul arctic Phormidesmis sacerdot BCI401

Abstract

fundal

Cianobacteriile sunt principalii producatori primari in ecosistemele la rece extrem. Multe linii de cianobacterii prospera in aceste medii dure, dar nu se intelege pe deplin cum supravietuiesc in aceste conditii si daca au evoluat mecanisme specifice de adaptare la frig. Phormidesmis priestleyi este un cianobacterium care se gaseste in toata biosfera rece (habitatele arctice, antarctice si alpine). Secventierea genomica a P. sacerdot BC1401, un izolat dintr-o gaura de crioconit de pe gheata Groenlandei, a permis examinarea genelor implicate in raspunsul la soc la rece si producerea de substante polimerice extracelulare (EPS). Este posibil ca EPS-urile sa permita cianobacteriilor sa tamponeze efectele frigului extrem si prin identificarea mecanismelor de productie de EPS in P. sacerdoti BC1401 acest studiu stabileste calea pentru investigarea transcriptiei si a reglarii productiei de EPS intr-un cianobacterium tolerant la rece ecologic.

Rezultate

Am secventiat genomul proiect al P. sacerdot BC1401 si am implementat o noua abordare de vizualizare a graficului de Bruijn combinata cu analiza BLAST pentru a separa contigii cianobacterieni de un metagenom simplu generat din culturi non-axenice. Comparatia genelor de adaptare la frig cunoscute in P. sacerdot BC1401 cu trei rude din alte medii nu a evidentiat diferente clare intre linii. Genele implicate in biosinteza EPS au fost identificate din caile Wzy si ABC dependente. Numarul de gene implicate in biogeneza membranei celulare si a membranei in P. sacerdotiBC1401 au fost tipice in raport cu dimensiunea genomului. Un grup de gene implicat in formarea biofilmului a fost gasit omolog la sistemul Wps, desi caile de semnalizare intracelulara prin care acest lucru ar putea fi reglementat raman neclare.

concluzii

Rezultatele arata ca caracteristicile si complementul genomic al genelor cunoscute de soc rece din P. sacerdot BC1401 sunt comparabile cu linii conexe dintr-o mare varietate de habitate, desi inca pot exista gene de soc rece la acest organism. Productia EPS de P. sacerdot BC1401 contribuie probabil la capacitatea sa de a supravietui eficient in medii reci, totusi acest mecanism este distribuit pe scara larga in filonul cianobacterian. Descoperirea modului in care aceste mecanisme legate de EPS sunt reglementate poate ajuta la explicarea motivului pentru care P. priestleyi BC1401 are atat de mare succes in medii reci in care nu exista linii conexe.

fundal

Cianobacteriile sunt procariote fotosintetice care au prosperat pe planeta noastra pentru cel putin 2,33-2,4 Ga [1, 2]. In crio-cianobacterii sunt mari producatori primari care se gasesc in multe tipuri de habitate (de exemplu, lacuri, substraturi litice si crioconite [3]), unde presiunile potentiale de mediu includ expunerea la niveluri ridicate de radiatii ultraviolete in timpul verii, absenta completa de lumina in timpul iernii la polonezi, disponibilitate limitata de nutrienti, cicluri rapide de inghet-dezghet si activitate scazuta a apei [4].

Microorganismele (inclusiv bacteriile, arhaea si eucariote unicelulare) au numeroase adaptari care le permit sa supravietuiasca la temperaturi scazute. Exista mecanisme generice de soc rece (multe dintre ele s-au caracterizat in mezofile precum Escherichia coli ) care sunt responsabile pentru mentinerea fluiditatii membranei celulare, destabilizarea structurilor secundare ale acidului nucleic si contribuind la mentinerea structurii cromozomilor in conditii reci (analizate in Barria si colab. [ 5]). Alte mecanisme care au fost propuse includ productia de exopolizaharide (EPS), care joaca un rol major in protectia impotriva mediilor reci extreme (de exemplu, Bacterii: Colwellia psychrerythraea 34H [6], Pseudomonas sp. ID1 [7] si Pseudoalteromonassp. SM20310 [8]; Archaea: Methanococcoides burtonii si Halorubrum lacusprofundi [9]; Diatomee: Synedropsis sp., Fragilariopsis curta si F. Cylindrus [10]. In cianobacterii, se stie ca EPS-urile permit rezistenta la desicare in habitatele aride [11-13] si contribuie la formarea biofilmului [14, 15]. In medii reci, EPS-urile pot juca un rol in toleranta la dezghet [12, 13]. EPS-urile furnizeaza probabil un loc pentru localizarea compusilor protectori ultraviolete precum scytonemin si aminoacizi similari micosporinei (MAAs) si permit eliminarea cationilor metalici in conditii oligotrofice [16]. EPS-urile servesc, de asemenea, ca sursa de carbon pentru panza microbiana [17–19].

In timp ce toate aceste mecanisme pot fi gasite in majoritatea procariotelor, se intelege putin despre modul in care acestea pot diferi in cianobacterii de mediile reci in comparatie cu rudele lor temperate. Multe cianobacterii intalnite frecvent in criosfera se gasesc si intr-o varietate de habitate diverse (de exemplu, deserturi: Chroococcidiopsis [20] si Nostoc [21]; pesteri: Chroococcidiopsis , Nostoc , Phormidium , Leptolyngbya si Pseudanabaena [22]; cruste de sol: Phormidium , Leptolyngbya si Pseudanabaena[23]) unde persistenta lor se datoreaza unei rezistente nespecifice in medii extreme. Unele linii par mai localizate in criosfera si, ca atare, pot fi mai specializate pentru a supravietui la frig. Un astfel de organism este cianobacteriile filamentoase non-heterocistice producatoare de EPS Phormidesmis sacerdoti . Analiza secventelor de gene rRNA ale subunitatii mici (SSU) a aratat ca P. priestleyi poate fi gasit in toata criosfera globala [24, 25]. Analizele evolutiei trasaturilor au prezis ca P. priestleyi a avut un stramos tolerant la rece [25].

In Antarctica, P. priestleyi creste in mod obisnuit in regiunile dezglaciate, unde se gaseste de obicei asociata cu apa in miscare si scurgerea glaciara [26]. In regiunile arctice si alpine P. sacerdotiiSecventele de gene rRNA ale SSU au fost recuperate din gheata de suprafata pe ghetarii din Svalbard [27], lacurile oligotrofe din Pirinei [28], ghetarii de pe platoul tibetan [29] si lacurile de topit pe rafturile de gheata din Inalta Arctica canadiana [24]. Pe foaia de gheata din Groenlanda (GrIS) se gaseste in gauri de crioconit; topiti bazine de apa de pe suprafata ghetarilor formati de albedo local redus care contin particule anorganice si organice [30]. Filamentele cianobacteriene constituie o proportie mare de materie organica prezenta in granulele de crioconit si se crede ca cianobacteriile ajuta la medierea formarii crioconitei prin agregarea de particule [31, 32] influentand astfel direct „biocryomorfologia” suprafetelor de gheata [33]. .

In acest studiu am secventiat genomul P. sacerdot BC1401 folosind un vizualizator de ansamblu grafic de Bruijn dezvoltat recent pentru a elimina secventele non-cianobacteriene din ansamblu. Am utilizat analize BLAST pentru a investiga prezenta genelor cunoscute legate de stresul rece la acest gen si in stransele genomuri. Am identificat gene pentru mecanisme putative responsabile de reglarea, producerea si exportul polizaharidelor folosind cautari de domenii BLAST si Pfam. P. priestleyi BC1401 este primul genom al proiectului publicat al unui cianobacterium izolat din criosfera.

metode

Materialul crioconit a fost colectat in vara anului 2014 de la statia meteo S6 a Universitatii din Utrecht din GrIS (67 ° 04 ′ N, 49 ° 23 ′ W) ~ 1000 m deasupra nivelului marii si ~ 30 km de marja de gheata, inainte fiind transportat inapoi la Bristol intr-un recipient refrigerat (~ 2-4 ° C). In laborator, cantitati mici de crioconit au fost transferate in petri vasele de lichid steril BG-11 [34] si au fost incubate la 4 ° C timp de 4-6 saptamani.

Culturile axenice au fost utilizate in mod obisnuit pentru secventializarea tulpinilor unice de cianobacterii. Cu toate acestea, mai multe probleme sunt asociate cu aceasta abordare. In primul rand, anumite tulpini pot depinde de biota lor comensala pentru o crestere reusita, de exemplu datorita utilizarii metabolitilor secundari [35]. In al doilea rand, procesul este intensiv in munca si greu de inclus in cadrul unui program de cercetare la scara mica. In cele din urma, culturile vor suferi multe generatii in timpul procesului de crestere si purificare; acest lucru ar putea duce la o divergenta moleculara semnificativa a tulpinilor cultivate de organismele de tip salbatic. Metodele prezentate aici au permis secventializarea unei tulpini unialgale impreuna cu microbiota comensala cu eliminarea cu succes a secventelor contaminante (non-cianobacterii) in timpul procesului de asamblare. Pentru a obtine tulpini unialgice, filamentele cianobacteriene individuale au fost separate folosind un microscop si un ac de sticla, transferate in tuburi de cultura care contin lichid steril BG-11 si incubate la 15 ° C. Dupa alte 4–6 saptamani, o cultura de succes a fost transferata in petri vasele de lichid steril BG-11 si a crescut la 4 ° C pana cand a fost disponibila suficienta biomasa pentru a extrage ADNc. Celulele recoltate au fost depozitate in tuburi sterile de 1,5 ml la -20 ° C.

DNA extraction and sequencing

Extragerea ADN-ului din cianobacterii poate fi adesea inhibata de prezenta EPSs si a peretilor celulari grosi. Pentru a rezolva aceasta problema, am folosit o metoda simpla de liza chimica / mecanica pentru ruperea celulelor inainte de extractie. Aproximativ 0,5 ml material celular a fost dezghetat si centrifugat la 13.000 G timp de 30 sec intr-un tub de 1,5 ml. Supernatantul a fost indepartat si peletele s-au spalat in 500 μl Milli-Q apa. Acest proces a fost repetat de trei ori inainte ca peleta sa fie transferata intr-un tub curat de 1,5 ml. Peletul a fost apoi suspendat in 200 ui SoluLyse (Genlantis, San Diego, CA) (vezi Hall si colab. [36]) si a fost incubat la temperatura camerei timp de 15 minute. Intregul continut al tubului a fost apoi transferat intr-un tub de margele de 0,7 mm MO BIO (MO BIO Laboratories, Cambridge, Marea Britanie), si cu vortex la putere maxima timp de 5 minute. gDNA a fost apoi extras din lizat folosind coloane de flux de gravitatie Machery-Nagel AXG20 (Machery-Nagel, Duren, Germania) conform protocolului producatorilor (inclusiv etapa optionala de adaugare a lizozimei). Integritatea gDNA cu greutate moleculara mare a fost evaluata folosind imagistica pe gel (1% gel de agaroza 1,5 ore) si cantificata folosind testul QUBIT (Invitrogen, Carlsbad, CA) inainte de a fi trimis pentru secventiere. Pregatirea bibliotecii s-a facut folosind Kitul de pregatire a bibliotecii DNA Illumina TruSeq Nano (Illumina, San Diego, CA), conform instructiunilor producatorilor, cu o distributie medie finala a bibliotecii (inclusiv adaptoare) de 650 CP. Secventializarea a fost facuta folosind Illumina Hi-Seq 2500 (o linie) pentru a genera un total de 83.595.

Array

840 cp de 100 cp insotite de citiri cu o dimensiune de insertie de ~ 600 bp. Datele au fost procesate folosind RTA v1.18.64, cu filtru implicit si setari de calitate. Citirile au fost demultiplexate cu CASAVA v1.8.4 (permitand nepotrivire).

Asamblare

Inainte de a putea fi efectuata analiza genomului, a fost necesara separarea genomului cianobacterian de secventele non-cianobacteriene. Un ansamblu procariotic ideal produs de un asamblator pe baza de grafic de Bruijn, cum ar fi SPAdes [37], ar produce un singur cromozom unde exista o singura cale posibila intre noduri (adica contiguri individuale). Cu toate acestea, ambiguitatile raman adesea intr-un ansamblu (de exemplu, din cauza regiunilor repetate sau a genelor duplicate) care duc la grafice de Bruijn cu muchii multiple (adica posibile alinieri intre contiguri). In timp ce aceste mai multe muchii impiedica formarea unui singur cromozom concludent, ele pot fi folosite pentru a determina relatiile dintre grupurile de contiguri mai mici. In timp ce aceasta informatie este de obicei aruncata, ea poate fi folosita pentru a izola genomii individuali de un metagenom, si validat in cazul in care contigurile pot fi definite simultan prin alte caracteristici comune, cum ar fi profunzimea de citire, asemanarea BLAST sau compozitia secventei. Vizualizarea acestor informatii a fost recent disponibila in vizualizatorul de grafice de Bruijn Bandage [38].

Inainte de asamblare, adaptoarele Illumina TruSeq-3-PE au fost taiate si filtrate pentru calitate folosind Trimmomatic v0.32 [39] folosind urmatorii parametri: Leading: 20, Trailing: 20, SlidingWindow: 4: 20, MinLen: 50. Corectia si asamblarea erorilor a fost facuta folosind SPAdes v3.5.0 [37] cu lungimi k-mer de 67, 77, 87 si 97 si o reducere a acoperirii de 20. Fisierele SPAdes FASTG au fost apoi deschise in Bandage v0.07 [38] si o baza de date BLAST generata pentru intregul ansamblu. Mii cincizeci si patru de grupe cianobacteriene de baza ale grupurilor ortologice de proteine ​​(CyOG-uri de baza) (a se vedea Mulkidjanian si colab. [40], Informatii suplimentare), exclusiv pentru cianobacterii si plastide, au fost cautate in aceasta baza de date folosind tBLASTn v2.2.30 + cu un e -valoarea pragului de 1e-10. Contigoii cianobacterieni au fost identificati ca noduri grafice care contin CyOG-uri de baza si noduri conectate cu o profunzime de citire similara. Nodurile suplimentare neconectate, cu acoperire similara a contigurilor cianobacteriene confirmate, au fost verificate manual prin efectuarea de noi cautari tBLASTn in intreaga baza de date NCBI GenBank (pragul valorii electronice de 1e-10); cele care nu contineau gene cianobacteriene putative au fost aruncate. In cele din urma, contiguri cu adancimea de citire <10 au fost aruncate pentru a indeparta contighele ne-cianobacteriene ramase si contigii cu lungimea <200 bp au fost aruncate pentru a se alinia standardelor NCBI. Citirile brute au fost asortate la ansamblul proiectului rezultat folosind BWA [41]. Citirile care nu corespund ansamblului cianobacterian au fost aruncate, relevand o acoperire generala a Nodurile suplimentare neconectate, cu acoperire similara a contigurilor cianobacteriene confirmate, au fost verificate manual prin efectuarea de noi cautari tBLASTn in intreaga baza de date NCBI GenBank (pragul valorii electronice de 1e-10); cele care nu contineau gene cianobacteriene putative au fost aruncate. In cele din urma, contiguri cu adancimea de citire <10 au fost aruncate pentru a indeparta contighele ne-cianobacteriene ramase si contigii cu lungimea <200 bp au fost aruncate pentru a se alinia standardelor NCBI. Citirile brute au fost asortate la ansamblul proiectului rezultat folosind BWA [41]. Citirile care nu corespund ansamblului cianobacterian au fost aruncate, relevand o acoperire generala a Nodurile suplimentare neconectate, cu acoperire similara a contigilor cianobacterieni confirmati, au fost verificate manual prin efectuarea de cautari tBLASTn ulterioare in intreaga baza de date NCBI GenBank (pragul valorii electronice de 1e-10); cele care nu contineau gene cianobacteriene putative au fost aruncate. In cele din urma, contiguri cu adancimea de citire <10 au fost aruncate pentru a indeparta contighele ne-cianobacteriene ramase si contigii cu lungimea <200 bp au fost aruncate pentru a se alinia standardelor NCBI. Citirile brute au fost asortate la ansamblul proiectului rezultat folosind BWA [41]. Citirile care nu corespund ansamblului cianobacterian au fost aruncate, relevand o acoperire generala a cele care nu contineau gene cianobacteriene putative au fost aruncate. In cele din urma, contiguri cu adancimea de citire <10 au fost aruncate pentru a indeparta contighele ne-cianobacteriene ramase si contigii cu lungimea <200 bp au fost aruncate pentru a se alinia standardelor NCBI. Citirile brute au fost asortate la ansamblul proiectului rezultat folosind BWA [41]. Citirile care nu corespund ansamblului cianobacterian au fost aruncate, relevand o acoperire generala a cele care nu contineau gene cianobacteriene putative au fost aruncate. In cele din urma, contiguri cu adancimea de citire <10 au fost aruncate pentru a indeparta contighele ne-cianobacteriene ramase si contigii cu lungimea <200 bp au fost aruncate pentru a se alinia standardelor NCBI. Citirile brute au fost asortate la ansamblul proiectului rezultat folosind BWA [41]. Citirile care nu corespund ansamblului cianobacterian au fost aruncate, relevand o acoperire generala aGenoma P. sacerdot BC1401 de 340,55 ×.

Proiectul genomului a fost transmis catre JGI IMG / ER [42] pentru adnotare (ID de proiect de analiza GOLD: Ga0078185). Pe baza asemanarii secventei, genomul asamblat a fost aliniat la cel mai apropiat vecin cu un genom finalizat, Leptolygnbya boryana PCC 6306 cu Contiguator v2.7.4 [43] folosind BLASTn cu o valoare electronica de 1e-10, un prag de lungime contig de 1000, un prag de lungime de lovire de 1000 si un prag de acoperire contig de 10%. Identificarea genelor specifice de interes s-a facut folosind BLASTp (pragul valorii e de 1e-5) si cautarile ulterioare pentru domeniile Pfam au fost facute daca cautarile BLAST au dat rezultate ambigue. Aceste analize au fost efectuate folosind instrumentele disponibile in JGI IMG / ER [42].

Pentru a deduce omologia structurala a proteinelor in care anumite domenii au lipsit, genele au fost aliniate in Jalview v2.9.0b2 [44] si structurile proteice modelate folosind portalul web Phyre2 [45].

Parcele de genom au fost produse in Circos v0.68 [46] si diagramele genice au fost realizate folosind FancyGene v1.4 [47]. Toate loturile au fost editate manual folosind Inkscape v0.91 [48].

Acest proiect de arma de arma genom a fost depus la DDBJ / ENA / GenBank sub aderarea LXYR00000000. Versiunea descrisa in aceasta lucrare este versiunea LXYR01000000. Secventa genomului si datele adnotarilor sunt disponibile la baza de date IMG / ER JGI [49].

Analiza filogenetica

A fost construit un set de date SSR rRNA incluzand P. sacerdot BC1401 si alte 130 de genomuri de cianobacterii utilizate de Sanchez-Baracaldo [50]. In plus, secventa de rRNA SSU P. priestleyi ANT.L61.2 [51] a fost inclusa ca referinta pentru o tulpina antarctica de P. priestleyi. O aliniere de 1.712 caractere a fost generata folosind SATe 2.2.7 [52] (folosind MAFFT v6.717 [53], MUSCLE v3.7 [54], FASTTREE v2.1.4 [55] cu aproximarea CAT si strategia de descompunere setata la ‘ cel mai lung „). Reconstructia filogenetica a fost realizata folosind RaxML v8.1.11 [56] folosind modelul GTR + G. Arborele a fost constrans folosind 130 de taxoni filogenomici (135 proteine ​​si doua rRNA: LSU si SSU) arbore descrise in Sanchez-Baracaldo [50]. Copacii au fost vizualizati folosind FigTree v1.4.

Array

0 [57] si editati manual in Inkscape v0.91 [48].

rezultate si discutii

Analizele noastre filogenetice indica faptul ca P. sacerdot BC1401 este sora lui Phormidesmis ANT.L61.2 din vaile uscate McMurdo, Antarctica. Aceste doua linii sunt sora lui L. boryana PCC 6306, Oscillatoriales cyanobacterium JSC-12 si Geitlerinema sp. PCC 7407 (Fig. 1). Aceste tulpini se cuibaresc intr-un grup de linii filamentoase cu diametru celular mic din microcianobacteria [50]. Statisticile genomului si locatiile de esantionare pentru toate genomele complete utilizate in acest studiu sunt prezentate in tabelul 1.

Fig. 1

Filogenia cu probabilitate maxima de rRNA SSU aratand rude ale P. sacerdot BC1401. Topologia arborelui a fost pusa in aplicare folosind un arbore de constrangere filogenomica continand 130 de taxoni (135 proteine ​​si doua ARNr: LSU si SSU) [50]. Arborele este impartit in „linii bazale”, „microcianobacterii” si „macrocianobacterii”, asa cum este descris in Sanchez-Baracaldo [50]. Clada continand P. priestleyi BC1401 si linii conexe este evidentiata in verde, cu suport pentru bootstrap (1000 de replici) afisate

Tabelul 1 Caracteristicile genomului tulpinilor utilizate in acest studiu

Graficul de Bruijn al intregului ansamblu brut a fost format din 752 noduri cu 439 muchii si o lungime totala de 21.126.715 bp reprezentand un metagenom care contine atat P. sacerdot BC1401 cat si microbiota asociata. Portiunea principala cianobacteriana a graficului a fost determinata ca un grup de 268 noduri legate de 355 muchii (5.524.226 bp) cu o adancime medie de 16,5. Dintre acestia, 49 de noduri cu 3 muchii (3.795.178 CP) si o adancime medie de 14,1 au avut lovituri BLAST pozitive pentru CyOG-uri de baza. Toate accesarile BLAST pentru CyOG-uri de baza au fost continute in portiunea principala cianobacteriana a graficului [a se vedea fisul aditional 1]. Ultimul genom proiectat al P. P. P.leyleyBC1401 a constituit un total de 213 contiguri care contine 5.507 gene care codifica proteine ​​(PEG). Conturile au variat de la 213 la 2.755,82 CP si ansamblul a avut un N50 de 79.760 de baze. Dimensiunea genomului a fost estimata a fi 5,55 Mb, cu un continut total de GC de 49,16%. Marimea genomului secventiat al P. sacerdoti BC1401 a fost gasita a fi mai mica decat cea a rudelor sale cu un genom complet, (identitatea genei SSR rRNA = 92%) L. boryana PCC 6306 (marime = 7,26 Mb, GC = 47,01%) , cu un continut de GC putin mai mare. In ciuda dimensiunii mai mici in raport cu L. boryana PCC 6306, toate 1.054 CyOG-uri de baza au fost prezente in proiectul genomului P. sacerdot BC1401 sugerand un ansamblu aproape complet. Optzeci si cinci de contiguri au fost mapate cu succesL. boryana PCC 6306 (4,77 Mb, 85,97% din totalul genomului proiectat) (Fig. 2) lasand 128 contiguri mai mici (0,78 Mb, 14,03% din totalul genomului total) neimpediate. Un complot care afiseaza toti contigii nemodificati poate fi vazut in fisierul suplimentar 2. Patruzeci si cinci dintre acesti contiguri aveau o lungime sub 1.000 CP si 77 au fost renuntati la aliniere din cauza acoperirii reduse.

Fig. 2

Parcela circulara a genomului P. sacerdot BC1401, ordonata conform L. boryana PCC 6306. Inelele sunt urmatoarele (exterior – interior): 1) Contiguri mapate, contiguri care contin gene implicate in biosinteza EPS si export sunt evidentiate in rosu ; 2) Genele adnotate sunt aratate in gri inchis, exterior = suvita plus, interior = minus suvita; 3) omologii putative wspR sunt afisate in gri inchis, contigurile sunt evidentiate in albastru ; 4) genele gen alg44 care sunt componente ale transportatorilor ABC sunt aratate in gri inchis, contigurile sunt evidentiate in albastru ; 5) alte gene asemanatoare cu alg44 sunt aratate in gri inchis, contigurile sunt evidentiate in albastru. Panourile arata locatiile grupurilor de gene putative implicate in caile de biosinteza / export ale polizaharidelor specifice EPS, Wzy-, ABC-Wsp- si altele non EPS specifice

Adaptare la rece

Evolutia moleculara legata de adaptarea la frig poate lasa semnaturi distincte pe genomii organismului (de exemplu, Bacterii: Psychrobacter arcticus 273–4 [58], Colwellia psychrerythraea 34H [59]; Archaea: Halobrum lacusprofundi [60], Methanogenium frigidum si Methanococcoides burtonii[61]. In special, tendinta anumitor aminoacizi de a influenta structurile proteice la temperaturi scazute poate duce la substituirea unui aminoacid cu altul. De exemplu, aminoacidul arginina formeaza cu usurinta legaturi H in structurile secundare proteice; in medii cu temperaturi scazute, acest lucru poate inhiba flexibilitatea proteinelor si poate preveni functionarea optima a proteinei. Ca atare, organismele adaptate la rece pot substitui reziduurile de arginina cu lizina pentru a reduce stabilitatea structurala la temperaturi scazute, asa cum se vede in Alteromonas haloplanctis [62]. In mod similar, o reducere a continutului de prolina poate creste, de asemenea, flexibilitatea structurii secundare a unei proteine ​​[63, 64] (de exemplu, Psychrobacter immobilis A5 [65]). Procentul reziduurilor proline din proteomul ipotetic al P. sacerdotiBC1401 (Pro% = 4,76) a fost similar cu cel al L. boryana PCC 6306 (Pro% = 4,66) si Oscillatoriales cyanobacterium JSC-12 (Pro% = 4,78) si a fost putin mai mare in Geitlerinema sp. PCC 7407 (Pro% = 5,44). Raportul arginina la lizina in BC1401 (Arg: Lys = 1,4) a fost, de asemenea, comparabil cu PCC 6306 (Arg: Lys = 1,45) si JSC-12 (Arg: Lys = 1,49), in timp ce a fost putin mai mare in PCC 7404 (Arg: Lys = 2,22). Avand in vedere intervalele mari de temperatura experimentate de fiecare dintre aceste tulpini (tabelul 1), se pare ca nu exista semnal evident de adaptare genomica crescuta la frig in BC1401 in comparatie cu alte cianobacterii intalnite in mod obisnuit in habitatele mai calde.

Stresul la temperatura din bacterii este gestionat prin mecanisme de soc rece sau de soc termic, care permit celulelor sa functioneze la temperaturi scazute sau sa supravietuiasca peste nivelul lor optim termic. In bacterii, au fost identificate numeroase gene care codifica proteine ​​legate de raspunsurile celulare la stresul rece (de exemplu, piruvat dehidrogenaze, girale ADN, chaperone si desaturasele acizilor grasi) [5, 66]. Mai multe proteine ​​implicate in socul rece actioneaza, de asemenea, ca proteine ​​de soc termic. Deoarece optimul fiziologic al fototrofelor crioconitului este peste cel intalnit in mediul inconjurator [67], stresul rece este probabil foarte important in P. priestleyi BC1401. Cu toate acestea, daca organismele sunt obisnuite sa creasca la temperaturi scazute, atunci in caz de incalzire brusca, poate aparea un raspuns la stres la caldura. Numerele de accesari BLAST inGenomul P. sacerdot BC1401 pentru gene implicate in raspunsul la soc la rece, comparativ cu cele trei rude apropiate cu genomuri complete ( Leptolyngbya boryana PCC 6306, Oscillatoriales cyanobacterium JSC-12 si Geitlerinema sp. PCC 7407) sunt prezentate in tabelul 2. Toate genele enumerate au fost prezentate prezent la toate genomele, cu exceptia urmatoarelor: genele csp -familia au lipsit de la Oscillatoriales cyanobacterium JSC-12, ot A a fost gasit doar in Geitlerinema sp. PCC7407, iar yfiaA a lipsit de la L. boryana PCC6306. In caz contrar, variatia numarului de copii intre cei patru genomi a fost minima, fara o crestere clara a genelor de stres receP. sacerdotii BC1401. Aceasta a inclus genele pentru chaperone care sunt, de asemenea, implicate in raspunsul la socul termic ( dnaK , dnaJ ) si nu s-a gasit nicio diferenta in numarul de copii dintre genomii cianobacterieni comparati pentru gena specifica socului termic grpE [68].

Chiar si asa, este posibil ca in prezent genele necaracterizate implicate in toleranta la frig (de exemplu, productia de proteine ​​de nucleare de gheata sau rezistenta la stresul osmotic [69]) sa ramana inca neidentificate in genomul P. sacerdot BC1401.

Tabelul 2 Numerele de lovituri BLAST pentru gene implicate in raspunsul la socul bacterian la toate tulpinile utilizate in acest studiu

Absenta aparenta de diferentiere a genelor de soc rece intre P. sacerdot BC1401 si lineajele temperate ar putea fi legata de tendinta cianobacteriilor polare de a fi psicrotrofe, mai degraba decat de psihofile, care prezinta o crestere optima la temperaturi mult mai ridicate decat temperaturile medii scazute la care sunt susceptibile sa experienta in mediu [70]. Avand in vedere acest lucru, s-ar putea ca mecanisme mai universale, cum ar fi productia de EPS sa fie responsabile pentru succesul cianobacteriilor in medii reci.

Mecanisme de productie EPS in P. sacerdot BC1401

Desi nu sunt pe deplin caracterizate experimental in cianobacterii, genele responsabile pentru biosinteza EPS si exportul in cianobacterii au fost clar conturate in Pereira si colab. [71]. Aceste gene codifica proteinele constitutive ale mai multor cai specifice din bacteriile gram-negative care au fost initial studiate in E. coli (analizate in Cuthbertson si colab. [72]). In sectiunile urmatoare, raportam distributia acestor gene pe intregul genom al P. P. P. P.leyley BC1401.

Productia de EPS procariote in interiorul celulei are loc de obicei in trei etape principale [15]. In primul rand, oligozaharidele sunt sintetizate in citoplasma. In al doilea rand, unitatile repetante ale oligozaharidelor sunt asamblate si atasate la un purtator de lipide de catre glicoziltransferaze. In cele din urma, unitatile care se repeta sunt polimerizate si translocate din celula. Aceasta etapa finala este realizata de unul dintre cele trei sisteme principale: caile dependente de Wzy, dependente de ATP (ABC) – dependente de sinteza si cai dependente de sintaza [16, 64, 73].

In calea dependenta de Wzy, unitatile de oligozaharide legate de lipide sunt translocate de la citoplasma la periplasm de Wzx unde sunt polimerizate de Wzy. Exportul are loc apoi prin intermediul polimacharidelor transmembranare co-polimeraza (PCP) Wzc si al transportorului de membrana externa (OPX) Wza. Doua clustere de gene din P. sacerdot BC1401 au urmat schema pentru un sistem de export EPS-dependent Wzy, unul pe contig Ga0079976_1029 si un altul pe Ga0079976_1013 (Fig. 3a). Ambele clustere au inclus gene care contin domenii care sunt conservate in genele wza, wzc, wzx si wzy . In ambele clustere, wza si wzcerau adiacente intre ele, in timp ce dispunerea celorlalte gene asociate difera considerabil. Ambele clustere au inclus gene care contin domenii implicate in biosinteza (domenii WcaA) si asamblare (glicoziltransferaze, domenii RfaB). Doua gene din clusterul de pe contig Ga0079976_1013 sunt adnotate in mod putativ ca exotosine, a carui domeniu glucuronosiltransferaza s-a dovedit a fi omolog cu gena mur 3 din Arabidopsis thaliana [74]. mur 3 este responsabil pentru modificarea xiloglucanilor (implicate in reticularea matricilor celulozelor), iar genele gasite aici pot codifica proteine ​​responsabile de functii similare care contribuie la structura matricei EPS.

Fig. 3

Diagrame genice ale putativelor a ) Wzy- si b ) grupuri dependente de ABC in P. sacerdot BC1401. Sunt prezentate schemele de organizare a proteinelor in membrana celulara (bazate pe Pereira si colab. [71])

In calea dependenta de ABC, polimerizarea are loc in citoplasma, iar transportatorul ABC KpsTM transfera polizaharidele asamblate pe membrana citoplasmatica, inainte de a fi exportate din celula de proteinele PCP / OPX KpsD si KpsE. Doua clustere din P. priestleyi BC1401 au continut componente pentru calea dependenta de ABC (Fig. 3b). Grupurile de gene de pe contigurile Ga0079976_1005 si Ga0079976_1008 contin gene cu domenii gasite in kpsD , kpsE , kpsM si kpsT . Pe contig Ga0079976_1005, kpsM a fost adnotat ca doua gene mai mici si toate genele kps _ au fost grupate strans intre ele, in timp ce pe Ga0079976_1008 kpsD sikpsE au fost localizate ~ 80kbp amonte de kpsM si kpsT Omologii. Ca si in cazul grupurilor W-dependente, mai multe gene biosintetice si de asamblare au fost, de asemenea, prezente, ceea ce sugereaza module de sine statatoare pentru sinteza EPS si export in P. sacerdot BC1401.

In calea dependenta de sintaza, o singura proteina, Alg8 (care este reglementata de Alg44) realizeaza sinteza, polimerizarea si translocarea de la citoplasma la periplasm. Exportul se realizeaza printr-o porina de membrana exterioara, AlgE, care este esafodata pe membrana de catre AlgK. Cu toate ca s-au gasit mai multi omologi alg8 in genom, nu s-au identificat cai clare dependente de sintaza in P. sacerdoti BC1401. Acest lucru este in concordanta cu concluziile lui Peireira si colab. [71] care nu au putut identifica in mod increzator componentele cheie ale caii dependente de sintaza pe intregul filon al cianobacteriilor.

Din caile de export procariotice EPS cunoscute, P. sacerdot BC1401 continea doua clustere de gene dependente de Wzy si doua ABC si nu exista clustere de gene dependente de sintaza completa, similare cu multe alte cianobacterii indiferent de mediu [71]. In ciuda importantei productiei de EPS pentru supravietuirea in medii reci, nu a existat niciun indiciu ca genomul P. sacerdotii BC1401 a avut o crestere relativa a genelor legate de EPS. Genele EPS sunt cuprinse in grupul de gene ortologice (COG) din categoria „Perete celular / membrana / biogeneza plic”. Un total de 225 de gene reprezentand 7,61% din genomul P. sacerdot BC1401 au fost incluse in categoria „Biogeneza peretelui celular / membranei / plicului” (vezi Fig. 4a), comparativ cu 6,91% in L. boryanaPCC 6306, 7,17% in cianobacteriul Oscillatoriales JSC-12 si 8,05% in Geitlerinema sp. PCC 7407. Peireira si colab. [71] a indicat ca dimensiunea genomului, mai degraba decat habitatul, a avut cel mai mare efect asupra numarului de gene asociate EPS. P. sacerdotii BC1401 par sa nu faca exceptie de la acest lucru, cu numarul de gene „perete celular / membrana / biogeneza invelis” care se incadreaza bine in distributia preconizata a genomilor de dimensiunea respectiva (vezi Fig. 4b).

Fig. 4

Parcele care prezinta proportia de gene implicate in categoria COG „Perete celular / membrana / biogeneza plic” in P. sacerdot BC1401, L. boryana PCC 6306, Oscillatoriales cyanobacterium JSC-12 si Geitlerinema sp. PCC 7407. o proportie de toate COG-urile, „Biogeneza peretelui celular / membranei / plicului” este evidentiata si b ) Numarul de gene „Perete celular / membrana / biogeneza plic” in comparatie cu dimensiunea genomului in contextul a 265 de alte genomuri cianobacteriene disponibile publicului pe JGI IMG / ER

Detectarea mediului

Desi este clar ca multe cianobacterii produc EPS, modul in care productia EPS este reglementata in cianobacterii nu este inca inteles. Al doilea mesager bacterian bis (3′-5 ′) – monofosfat dimeric de guanozina ciclica (c-di-GMP) a fost implicat intr-un numar mare de cai de semnalizare legate de biosinteza EPS si formarea biofilmului [75, 76]. Este sintetizat de proteine ​​care contin domeniul GGDEF / GGEEF conservat si se leaga la o mare varietate de receptori celulari, care sunt in mod normal proteine ​​care contin domenii PilZ. Sinteza c-di-GMP poate fi reglementata de sistemul Wsp (identificat mai intai in Pseudomonas fluorescens), o cale chimio-senzoriala gandita sa moduleze nivelurile c-di-GMP ca raspuns la aderenta de suprafata care provoaca formarea de biofilm si o tranzitie de la stilul de viata motil la sesil [77-79]. O caseta aproape completa pentru calea chimosenzoriala Wsp a fost gasita in P. sacerdot BC1401, localizata pe contig Ga0079976_1038 (Fig. 5). O gena pentru o proteina de legare a nucleotidelor ciclice este urmata pe catena anterioara de wspB , wspC , wspA , wspD , wspE , wspF . In pozitia ocupata in mod normal de regulatorul de raspuns WspRa fost un ciclu de adenilat de clasa 3. In timp ce WspR este un domeniu GGDEF / GGEEF care contine dicanilat ciclaza, clasa a 3-a adenilat ciclazele sunt un domeniu de omologie al ciclazei care contine mononucleotidilciclaze. Cautarile pentru domeniile pfam GGDEF / GGEEF din genomul P. sacerdot BC1401 au evidentiat sase potentiali omologi wspR . Modelarea in silico a structurilor lor folosind Phyre2 a relevat doua proteine ​​care prezinta omologie la WspR cu 100% incredere pe o lungime de aliniere> 90% (Tabelul 3, Fig. 6). Una dintre acestea este o singura gena pe contig Ga0079976_1021, iar a doua este pe contig Ga0079976_1062. Alte cinci gene au continut domenii GGDEF / GGEEF, dar au prezentat o similaritate scazuta a secventei pentru restul proteinei (tabelul 3).

Fig. 5

Diagrame genice ale sistemului puts Wsp-chemosensorial in P. sacerdot i BC1401. Sunt prezentate schemele de organizare a proteinelor in membrana celulara (pe baza lui Belas [79])

Tabelul 3 Localizarile genelor cu domenii GGDEF / GGEEF in proiectul genomului P. sacerdot BC1401 si similaritatea produsului genic cu WspR bazat pe modelarea structurii proteice in Phyre2 [45]
Fig. 6

Alinierea a doi omologi puteri WspR in P. sacerdoti BC1401 cu WspR a Pseudomonas fluorescens . Domeniul GGDEF / GGEEF este evidentiat cu rosu

Pentru un sistem WspR standard reglat de WspR pentru a influenta productia de EPS si formarea de biofilm, trebuie sa existe un receptor pentru c-di-GMP sintetizat. Oarecum pe neasteptate, genele care contin domeniile PilZ tipic de legare c-di-GMP tipice erau aparent absente de la proiectul genomului P. sacerdot BC1401. Cautarile Blast pentru omologi ai genei pentru Alg44, componenta de legare c-di-GMP a caii dependente de sintaza absenta, au relevat 14 gene care au impartit domeniul HlyD al alg44in timp ce domeniul PilZ parea sa lipseasca (tabelul 4). Cinci dintre acestea au fost grupate impreuna cu genele ABC-transporter; Un astfel de grup a fost omolog cu DevBCA, transportorul efluxului responsabil de formarea plicului heterocist in cianobacterii diazotrofice [80, 81]. Trebuie subliniat faptul ca transportorii ABC sunt implicati intr-o mare varietate de procese celulare si nu sunt neaparat legate de EPS. Alte gene au fost, de asemenea, implicate in legarea c-di-GMP. De exemplu, domeniile GZDEF / GGEEF non-enzimatice (de exemplu, PopA si PelD) s-au dovedit ca functioneaza ca efectori c-di-GMP [72]. Cel putin o astfel de proteina poate exista in P. sacerdotiBC1401 unde a fost identificat un domeniu GGDEF / GGEEF, insa motivul GGDEF / GGEEF in sine a absentat (Ga0079976_10297). Cu toate acestea, in ciuda existentei clare a unui sistem chemosensorial bine definit ca Wsp, natura exacta a regulatorilor si efectoarelor de raspuns ale sistemului ramane neclara. Asemanarea stransa a genelor Wsp din P. priestleyi BC1401 cu cele din cateva alte cianobacterii sugereaza ca aceasta poate fi o cale importanta de-a lungul cianobacteriilor si necesita investigatii suplimentare daca trebuie sa intelegem modul in care cianobacteriile interactioneaza cu mediul lor.

Tabelul 4 Locatiile omologilor putative de alg44 lipsite de domenii PilZ in genomul de P. P. P. P.leyleyley BC1401

Mecanismele de producere si reglare a EPS descrise aici nu sunt in niciun caz unice pentru P. sacerdot BC1401 si pot fi gasite in intregul filon cianobacterian [71]. Cu toate acestea, ele nu sunt, de asemenea, omniprezente si caracteristicile specifice de linie pot insemna ca anumite cianobacterii sunt predispuse sa exploateze anumite medii sau sa interactioneze cu mediul lor in moduri particulare. De exemplu, sistemul Wsp nu este prezent in toate cianobacteriile, fiind identificat in L. boryana PCC 6306 si Geitlerinema sp. PCC 7407, dar nu in Osanculatoriales cyanobacterium JSC-12. Aceasta implica faptul ca liniile strans legate pot interactiona cu mediul lor in moduri foarte diferite. In termeni de P. priestleyiBC1401, prezenta sistemului Wsp poate avea implicatii considerabile asupra mecanismelor de formare a crioconitelor. Contactul fizic al suprafetei celulare a P. sacerdotului cu particule poate duce la activarea formarii biofilmului si a mecanismelor de productie EPS, initizand astfel primele etape ale agregarii crioconitei. Cercetarile ulterioare privind reglementarea si expresia acestui mecanism si a mecanismelor de productie EPS ne vor ajuta sa intelegem cum cianobacteriile influenteaza suprafetele straturilor de gheata.

concluzii

Lucrarea prezentata aici reprezinta un prim pas in intelegerea bazelor moleculare de adaptare a cianobacteriilor la medii reci si ridica multe intrebari. Arctic cyanobacterium P. priestleyi BC1401 este strans legata de Antarctica P. priestleyi bazata pe SSU similaritate si probabil reprezinta un criosfera specific descendenta. Un complement standard al genelor de soc rece si lipsa evolutiei moleculare partinitoare la rece, asa cum s-a vazut in alte procariote, sugereaza ca P. sacerdot BC1401 nu necesita aceste caracteristici pentru a tolera supravietuirea in medii reci. In schimb, este probabil ca productia de EPS sa o protejeze din conditiile extreme prin care se confrunta. De ce P. priestleyise gaseste in criosfera, desi nu sunt cunoscute inca liniase strans legate care prezinta caracteristici genomice similare. Acest lucru este interesant, deoarece mecanismele de sinteza si export ale EPS din P. sacerdot BC1401 par sa urmeze aceeasi schema care a fost raportata de pe tot filonul cianobacterian. Orice diferenta poate fi rezultatul reglarii si al expresiei diferentiale in conditiile experimentate in mediile reci. Drept urmare, lucrarile viitoare ar trebui sa includa transcriptomice tintite pentru a intelege modul in care aceste gene sunt exprimate si ce implicatii pot avea atat pentru organism cat si pentru mediul in care locuieste. In plus, calea chimio-senzoriala Wsp reprezinta o posibila legatura intre mediu si productia de EPS si intelegerea modului in care aceasta functioneaza inP. sacerdotii BC1401 ne pot ajuta sa intelegem mai bine principiile formarii crioconitelor.

Abrevieri

ABC, caseta care leaga ATP; AF, fractie de aliniere; C-di-GMP, bis (3′-5 ′) – monofosfat dimeric guanozic dimeric; COG, grupuri de gene ortologice; CyOG, grupuri cianobacteriene ale grupurilor ortologice de proteine; EPS, exopolizaharid; gANI, identitate genomica medie a nucleotidelor; GrIS, Gheata Groenlanda; MAA, aminoacid asemanator micosporinei; OPX, transportor cu membrana exterioara; PCP, polizaharida co-polimeraza; PEG, gene care codifica proteine; SSU, subunitate mica

Referinte

  1. 1.

    Bekker A, Holland HD, Wang PL, Rumble D, Stein HJ, Hannah JL, Coetzee LL, Beukes NJ. Datand cresterea oxigenului atmosferic. Natura. 2004; 427: 117-20.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  2. 2.

    Schirrmeister BE, Sanchez-Baracaldo P, Wacey D. Evolutia cianobacteriana in perioada precambriana. Int J Astrobiol. 2016; FirstView: 1-18.

    Google Scholar 

  3. 3.

    Quesada A, Vincent WF. Cianobacteriile din criosfera: zapada, gheata si frig extrem. In: Whitton BA, editor. Ecologia cianobacteriilor II. Olanda: Springer; 2012. pag. 387-99.

    Google Scholar 

  4. 4.

    Laybourn-Parry J, Tranter M, Hodson AJ. Ecologia mediilor de zapada si gheata. Prima editie Oxford: OUP; 2012.

    Google Scholar 

  5. 5.

    Barria C, Malecki M, Arraiano CM. Adaptare bacteriana la frig. Microbiologie. 2013; 159: 2437-43.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  6. 6.

    Marx JG, Carpenter SD, Deming JW. Producerea de substante polizaharidice extracelulare crioprotectante (EPS) de catre bacteriile marine psihofofile Colwellia psychrerythraea tulpina 34H in conditii extreme. Can J Microbiol. 2009; 55: 63-72.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  7. 7.

    Carrion O, Delgado L, Mercade E. Nou exopolizaharid emulsionant si crioprotector din Antarctic Pseudomonas sp. ID1. Carbohidru Polym. 2015; 117: 1028-1034.

    Articol Google Scholar 

  8. 8.

    Liu SB, Chen XL, He HL, Zhang XY, Xie BB, Yu Y, Chen B, Zhou BC, Zhang YZ. Structura si rolurile ecologice ale unui nou exopolizaharid din bacteriile arctice de gheata de mare Pseudoalteromonas sp. tulpina SM20310. Appl Environ Microbiol. 2013; 79: 224-30.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  9. 9.

    Reid IN, Sparks WB, Lubow S, McGrath M, Livio M, Valenti J, Sowers KR, Shukla HD, MacAuley S, Miller T, Suvanasuthi R, Belas R, Colman A, Robb FT, DasSarma P, Muller JA, Coker JA , Cavicchioli R, Chen F, DasSarma S. Modele terestre pentru viata extraterestra: metanogeni si halofili la temperaturi martiene. Int J Astrobiol. 2006; 5: 89-97.

    Articol Google Scholar 

  10. 10.

    Aslam SN, Cresswell-Maynard T, Thomas DN, Underwood GJC. Productia si caracterizarea carbohidratilor si substantelor polimerice intra si extracelulare din EPS a trei specii de diatome de gheata marina si dovezi pentru un rol crioprotector pentru EPS. J Phycol. 2012; 48: 1494-509.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  11. 11.

    Hill DR, Keenan TW, Helm RF, Potts M, Crowe LM, Crowe JH. Polizaharida extracelulara din comuna Nostoc (Cianobacteria) inhiba fuziunea veziculelor membranare in timpul desicarii. J Appl Phycol. 1997; 9: 237-48.

    Articolul CAS Academic Google 

  12. 12.

    Tamaru Y, Takani Y, Yoshida T, Sakamoto T. Rolul crucial al polizaharidelor extracelulare in desicarea si toleranta la congelare in comuna Nostoc a cianobacteriului terestru . Appl Environ Microbiol. 2005; 71: 7327-33.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  13. 13.

    Knowles EJ, Castenholz RW. Efectul polizaharidelor extracelulare exogene asupra desicarii si tolerantei la congelare a microorganismelor fototrofice care locuieste in roca: efectul EPS asupra tolerantei fototrofelor locuitoare de roca. FEMS Microbiol Ecol. 2008; 66: 261-70.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  14. 14.

    Zippel B, Neu TR. Caracterizarea glicoconjugatelor substantelor polimerice extracelulare in biofilme asociate cu tufa prin utilizarea analizei de legare a lectinei fluorescente. Appl Environ Microbiol. 2011; 77: 505-16.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  15. 15.

    Rossi F, De Philippis R. Rolul exopolizaharidelor cianobacteriene in biofilmele fototrofice si in covorasele microbiene complexe. Viata. 2015; 5: 1218-1238.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  16. 16.

    Pereira S, Zille A, Micheletti E, Moradas-Ferreira P, De Philippis R, Tamagnini P. Complexitatea exopolizaharidelor cianobacteriene: compozitie, structuri, factori inducatori si gene putative implicate in biosinteza si asamblarea lor. Fems Microbiol Rev. 2009; 33: 917–41.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  17. 17.

    Decho A. Secretii microbiene de exopolimer in mediile oceanice – rolul lor in tesaturile alimentare si procesele marine. Oceanogr Mar Biol. 1990; 28: 73-153.

    Google Scholar 

  18. 18.

    Bhaskar PV, Bhosle NB. Substante polimerice extracelulare microbiene in procesele biogeochemice marine. Curr Sci. 2005; 88: 45-53.

    CAS Google Scholar 

  19. 19.

    Stibal M, Sabacka M, Zarsky J. Procese biologice pe suprafetele ghetarului si ale ghetii. Nat Geosci. 2012; 5: 771-4.

    Articolul CAS Academic Google 

  20. 20.

    Bahl J, Lau MCY, Smith GJD, Vijaykrishna D, Cary SC, Lacap DC, Lee CK, Papke RT, Warren-Rhodes KA, Wong FKY, McKay CP, Pointing SB. Originile antice determina biogeografia globala a cianobacteriei desertului cald si rece. Nat Comun. 2011; 2: 163.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  21. 21.

    Dodds WK, Gudder DA, Mollenhauer D. Ecologia Nostoc . J Phycol. 1995; 31: 2-18.

    Articolul CAS Academic Google 

  22. 22.

    Lamprinou V, Danielidis D, Economou-Amilli A, Pantazidou A. Sondaj de distributie a cianobacteriilor in trei pesteri grecesti din Peloponez. Int J Spel. 2012; 41 (2): 267-72.

    Articol Google Scholar 

  23. 23.

    Dojani S, Kauff F, Weber B, Budel B. Diversitatea genotipica si fenotipica a cianobacteriilor in crustele solului biologic din Karoo-ul Suculent si Nama Karoo din Africa de sud. Microb Ecol. 2014; 67: 286-301.

    Articolul PubMed Google Scholar 

  24. 24.

    Jungblut AD, Lovejoy C, Vincent WF. Distributia globala a ecotipurilor cianobacteriene in biosfera rece. ISME J. 2009; 4: 191–202.

    Articolul PubMed Google Scholar 

  25. 25.

    Chrismas NAM, Anesio AM, Sanchez-Baracaldo P. Adaptari multiple la mediile polare si alpine in cadrul cianobacteriilor: o abordare filogenomica si bayesiana. Microbiol frontal. 2015; 6: 1070.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  26. 26.

    Komarek J, Kastovsky J, Ventura S, Turicchia S, Smarda J. Genul cianobacterian Phormidesmis . Stud Algol. 2009; 129: 41-59.

    Articol Google Scholar 

  27. 27.

    Zeng YX, Yan M, Yu Y, Li HR, He JF, Sun K, Zhang F. Diversitatea bacteriilor din gheata de suprafata a ghetarului Austre Lovenbreen, Svalbard. Arcul Microbiol. 2013; 195: 313-22.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  28. 28.

    Bartrons M, Catalan J, Casamayor EO. Diversitate bacteriana ridicata in biofilmele epilitice ale lacurilor de munte oligotrofe. Microb Ecol. 2012; 64: 860-9.

    Articolul PubMed Google Scholar 

  29. 29.

    Un LZ, Chen Y, Xiang SR, Shang TC, Tian LD. Diferentele in compozitia comunitatii bacteriilor la patru ghetari din vestul Chinei. Biogeosciences. 2010; 7: 1937-1952.

    Articolul CAS Academic Google 

  30. 30.

    Hodson A, Boggild C, Hanna E, Huybrechts P, Langford H, Cameron K, Houldsworth A. Ecosistemul crioconit de pe gheata Groenlandei. Ann Glaciol. 2010; 51: 123-9.

    Articolul CAS Academic Google 

  31. 31.

    Takeuchi N, Kohshima S, Seko K. Structura, formarea si procesul de intunecare a materialului de reducere a albedului (crioconit) pe un ghetar din Himalaya: o mata de alga granulara care creste pe ghetar. Arct Antarct Alp Res. 2001; 33: 115-22.

    Articol Google Scholar 

  32. 32.

    Langford H, Hodson A, Banwart S, Boggild C. Microstructura si biogeochimia granulelor de crioconita arctica. Ann Glaciol. 2010; 51: 87-94.

    Articolul CAS Academic Google 

  33. 33.

    Cook J, Edwards A, Hubbard A. Biocryomorphology: integrarea proceselor microbiene cu hidrologia suprafetei de gheata, topografie si rugozitate. Front Sci Pamant. 2015; 3: 78.

  34. 34.

    Rippka R, Deruelles J, Waterbury JB, Herdman M, Stanier RY. Alocari generice, istorii de tulpini si proprietati ale culturilor pure de cianobacterii. Microbiologie. 1979; 111: 1-61.

    Articol Google Scholar 

  35. 35.

    Xie M, Ren M, Yang C, Yi H, Li Z, Li T, Zhao J. Analiza metagenomica releva relatia simbiotica intre bacteriile din comunitatea dominata de microcista. Microbiol frontal. 2016; 7: 56.

    PubMed PubMed Central Google Scholar 

  36. 36.

    Hall EW, Kim S, Appadoo V, Zare RN. Liza unui singur cianobacterium pentru amplificarea intregului genom. Micromasine. 2013; 4: 321-32.

    Articol Google Scholar 

  37. 37.

    Bankevich A, Nurk S, Antipov D, Gurevich AA, Dvorkin M, Kulikov AS, Lesin VM, Nikolenko SI, Pham S, Prjibelski AD, Pyshkin AV, Sirotkin AV, Vyahhi N, Tesler G, Alekseyev MA, Pevzner PA. SPAdes: un nou algoritm de asamblare a genomului si aplicatiile sale pentru secventierea unicelulara. J Comput Biol. 2012; 19: 455-77.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  38. 38.

    Wick RR, Schultz MB, Zobel J, Holt KE. Bandaj: vizualizarea interactiva a ansamblurilor genomului de novo. Bioinformatica. 2015; 31: 3350-2.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  39. 39.

    Bolger AM, Lohse M, Usadel B. Trimmomatic: un trimmer flexibil pentru datele secventei Illumina. Bioinformatica. 2014; 30: 2114-20.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  40. 40.

    Mulkidjanian AY, Koonin EV, Makarova KS, Mekhedov SL, Sorokin A, Wolf YI, Dufresne A, Partensky F, Burd H, Kaznadzey D, Haselkorn R, Galperin MY. Nucleul genomului cianobacterian si originea fotosintezei. PNAS. 2006; 103: 13126-31.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  41. 41.

    Li H, Durbin R. Aliniere de citire scurta si rapida cu transformarea Burrows-Wheeler. Bioinformatica. 2009; 25: 1754-1760.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  42. 42.

    Markowitz VM, Chen I-MA, Palaniappan K, Chu K, Szeto E, Grechkin Y, Ratner A, Jacob B, Huang J, Williams P, Huntemann M, Anderson I, Mavromatis K, Ivanova NN, Kyrpides NC. IMG: baza de date integrata a genomului microbian si sistemul de analiza comparativa. Acizii Nuclei Res. 2012; 40: D115-22.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  43. 43.

    Galardini M, Biondi EG, Bazzicalupo M, Mengoni A. CONTIGUATOR: un instrument de finisare a genomului bacterian pentru perspective structurale asupra genomelor proiectate. Sursa Cod Biol Med. 2011; 6: 11.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  44. 44.

    Waterhouse AM, Procter JB, Martin DMA, Clamp M, Barton GJ. Jalview Versiunea 2 – un editor de aliniere de secventa multipla si banc de lucru de analiza. Bioinformatica. 2009; 25: 1189-1191.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  45. 45.

    Kelley LA, Mezulis S, Yates CM, Wass MN, Sternberg MJE. Portalul web Phyre2 pentru modelarea, predictia si analiza proteinelor. Nat Protoc. 2015; 10: 845-58.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  46. 46.

    Krzywinski MI, Schein JE, Birol I, Connors J, Gascoyne R, Horsman D, Jones SJ, Marra MA. Circos: o estetica informationala pentru genomica comparativa. Genome Res. 2009; 19 (9): 1639-1645.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  47. 47.

    Rambaldi D, Ciccarelli FD. FancyGene: vizualizarea dinamica a structurilor genice si a arhitecturilor domeniului proteic pe loci genomici. Bioinformatica. 2009; 25: 2281-2.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  48. 48.

    Inkscape v0.91 http://inkscape.org/en/download Accesat la 16 septembrie 2015

  49. 49.

    Baza de date Joint Genome Institute Integrated Microbial Genomes, http://img.jgi.doe.gov/cgi-bin/w/main.cgi. Accesat la 18 mai 2016

  50. 50.

    Sanchez-Baracaldo P. Originea cianobacteriilor planctonice marine. Sci Rep. 2015; 5: 17418.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  51. 51.

    Taton A, Grubisic S, Ertz D, Hodgson DA, Piccardi R, Biondi N, Tredici MR, Mainini M, Losi D, Marinelli F, Wilmotte A. Studiul polifazic al tulpinilor cianobacteriene antarctice. J Phycol. 2006; 42: 1257-1270.

    Articolul CAS Academic Google 

  52. 52.

    Liu K, Raghavan S, Nelesen S, Linder CR, Warnow T. Coestimare rapida si precisa pe scara larga a alinierii secventelor si a arborelor filogenetice. Stiinta. 2009; 324: 1561-4.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  53. 53.

    Katoh K, Standley DM. Software-ul de aliniere secventa multipla MAFFT versiunea 7: imbunatatiri ale performantei si capacitatii de utilizare. Mol Biol Evol. 2013; 30: 772-80.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  54. 54.

    Edgar RC. MUSCLE: aliniere de secventa multipla cu o precizie ridicata si un randament ridicat. Acizii Nuclei Res. 2004; 32: 1792-7.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  55. 55.

    Pret MN, Dehal PS, Arkin AP. FastTree 2 – arbori cu probabilitate maxima pentru alinieri mari. Plus unu. 2010; 5: e9490.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  56. 56.

    Stamatakis A. Versiunea 8 a RAxML: un instrument pentru analiza filogenetica si post-analiza filogeniilor mari. Bioinformatica. 2014; 30: 1312-3.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  57. 57.

    FigTree v1.4.0 http://tree.bio.ed.ac.uk/software/figtree/ Accesat 5 Dec 2012

  58. 58.

    Ayala-del-Rio HL, Chain PS, Grzymski JJ, Ponder MA, Ivanova N, Bergholz PW, Bartolo GD, Hauser L, Land M, Bakermans C, Rodrigues D, Klappenbach J, Zarka D, Larimer F, Richardson P, Murray A, Thomashow M, Tiedje JM. Secventa genomului de Psychrobacter arcticus 273–4, o bacterie permafrosta siberiana psiroactiva, dezvaluie mecanisme de adaptare la cresterea temperaturii scazute. Appl Environ Microbiol. 2010; 76: 2304-12.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  59. 59.

    Methe BA, Nelson KE, Deming JW, Momen B, Melamud E, Zhang X, Moult J, Madupu R, Nelson WC, Dodson RJ, Brinkac LM, Daugherty SC, Durkin AS, DeBoy RT, Kolonay JF, Sullivan SA, Zhou L , Davidsen TM, Wu M, Huston AL, Lewis M, Weaver B, Weidman JF, Khouri H, Utterback TR, Feldblyum TV, Fraser CM. Stilul de viata psihofilic, astfel cum a fost dezvaluit de secventa genomica a Colwellia psychrerythraea 34H, prin analize genomice si proteomice. PNAS. 2005; 102: 10913-8.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  60. 60.

    DasSarma S, Capes MD, Karan R, DasSarma P. Substitutii de aminoacizi in proteine ​​adaptate la rece din Halorubrum lacusprofundi , un microb extrem de halofil din Antarctica. Plus unu. 2013; 8: e58587.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  61. 61.

    Saunders NFW, Thomas T, Curmi PMG, Mattick JS, Kuczek E, Slade R, Davis J, Franzmann PD, Boone D, Rusterholtz K, Feldman R, Gates C, Bench S, Sowers K, Kadner K, Aerts A, Dehal P , Detter C, Glavina T, Lucas S, Richardson P, Larimer F, Hauser L, Land M, Cavicchioli R. Mecanisme de adaptare termica dezvaluite de la genomii arhaiei antarctice Methanogenium frigidum si Methanococcoides burtonii . Genome Res. 2003; 13: 1580-8.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  62. 62.

    Aghajari N, Feller G, Gerday C, Haser R. Structurile alfa-amilazei Alteromonas haloplanctis psihofrofile ofera informatii despre adaptarea la rece la nivel molecular. Structura. 1998; 6: 1503-1516.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  63. 63.

    Feller G, Arpigny JL, Narinx E, Gerday C. Adaptari moleculare ale enzimelor din organismele psihofilice. Comp Biochem Physiol A Fiziol Mol Integr. 1997; 118: 495-9.

    Articol Google Scholar 

  64. 64.

    Russell NJ. Spre o intelegere moleculara a activitatii reci a enzimelor din psihofile. Extremofile. 2000; 4: 83-90.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  65. 65.

    Feller G, Zekhnini Z, Lamotte-Brasseur J, Gerday C. Enzime provenite din microorganisme adaptate la rece – clasa C beta-lactamaza din psihotrofilul antarctic Psychrobacter Immobilis A5. Eur J Biochem. 1997; 244: 186-91.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  66. 66.

    Varin T, Lovejoy C, Jungblut AD, Vincent WF, Corbeil J. Analiza metagenomica a genelor de stres din comunitatile microbiene de matca din Antarctica si Inalta Arctica. Appl Environ Microbiol. 2012; 78: 549-59.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  67. 67.

    Stibal M, Tranter M. Investigatie de laborator a absorbtiei anorganice de carbon prin resturi de crioconite din Werenskioldbreen, Svalbard. J Geophys Res. 2007; 112: G04S33.

    Articol Google Scholar 

  68. 68.

    Straus D, Walter W, CA Brut. Proteinele de soc termic DnaK, DnaJ si GrpE regleaza negativ expresia genelor de soc termic controland sinteza si stabilitatea sigma 32. Gene Dev. 1990; 4: 2202-9.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  69. 69.

    Lionard M, Pequin B, Lovejoy C, Vincent WF. Covorase cianobacteriene bentice in zona arctica ridicata: structura multistrat si raspunsuri fluorescente la stresul osmotic. Microbiol frontal. 2012; 3: 140.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  70. 70.

    Tang EPY, Tremblay R, Vincent WF. Dominanta cianobacteriana a ecosistemelor polare de apa dulce: sunt formatoare mat-latitudine inalta adaptate la temperaturi scazute? J Phycol. 1997; 33: 171-81.

    Articol Google Scholar 

  71. 71.

    Pereira SB, Mota R, Vieira CP, Vieira J, Tamagnini P. Analiza pe fila a genelor / proteinelor legate de ultimele etape de asamblare si export a substantelor polimerice extracelulare (EPS) in cianobacterii. Sci Rep. 2015; 5: 14835.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  72. 72.

    Cuthbertson L, Mainprize IL, Naismith JH, Whitfield C. Roluri pivotale ale exportului de polizaharide cu membrana externa si familii de proteine ​​polizaharide copolimeraza in exportul polizaharidelor extracelulare in bacterii gram-negative. Microbiol Mol Biol Rev. 2009; 73: 155–77.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  73. 73.

    Kehr JC, Dittmann E. Biosinteza si functia glicanilor extracelulari in cianobacterii. Viata. 2015; 5: 164-80.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  74. 74.

    Madson M, Dunand C, Li X, Verma R, Vanzin GF, Caplan J, Shoue DA, Carpita NC, Reiter WD. Gena MUR3 din Arabidopsis codifica o galactosiltransferaza a xiloglucanului care este legata in mod evolutiv de exostozinele animale. Celula plantei. 2003; 15: 1662-1670.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  75. 75.

    Romling U, Gomelsky M, Galperin MY. C-di-GMP: zorii unui nou sistem de semnalizare bacteriana. Mol Microbiol. 2005; 57: 629-39.

    Articolul PubMed Google Scholar 

  76. 76.

    Liang ZX Rolul in expansiune al c-di-GMP in biosinteza exopolizaharidelor si a metabolitilor secundari. Nat Prod Rep. 2015; 32: 663–83.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  77. 77.

    Hickman JW, Tifrea DF, Harwood CS. Un sistem chemosensorial care regleaza formarea biofilmului prin modularea nivelurilor de dicilat ciclic. PNAS. 2005; 102: 14422-7.

    Articolul CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  78. 78.

    O’Connor JR, Kuwada NJ, Huangyutitham V, Wiggins PA, Harwood CS. Detectarea suprafetei si localizarea subcelulara laterala a WspA, receptorul intr-un sistem chimosenzorial care duce la productia de c-di-GMP. Mol Microbiol. 2012; 86: 720-9.

    Articolul PubMed PubMed Central Google Scholar 

  79. 79.

    Belas R. Biofilme, flagelari si mecanosensibilitate a suprafetelor de catre bacterii. Tendinte Microbiol. 2014; 22: 517-27.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  80. 80.

    Fiedler G, Arnold M, Hannus S, Maldener I. Exportatorul DevBCA este esential pentru formarea invelisului in heterocisti ai cianobacteriului Anabaena sp. tulpina PCC 7120. Mol Microbiol. 1998; 27: 1193-202.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

  81. 81.

    Staron P, Maldener I. All0809 / 8/7 este o pompa de eflux de tip ABC de tip DevBCA necesara pentru cresterea diazotrofica in Anabaena sp. PCC 7120. Microbiologie. 2012; 158: 2537-45.

    Articolul CAS PubMed Google Scholar 

Descarcati referintele

Recunoasteri

Multumim Jane Coghill si Christy Waterfall la Bristol Genomics Facility, Annette Richer pentru ajutor in cultura, Karen Cameron pentru asistenta in teren, Marek Stibal si Jason Box pentru facilitarea lucrarilor de camp pe gheata din Groenlanda. Nu a fost necesara permisiunea pentru colectarea esantioanelor utilizate in acest studiu.

Finantarea

Aceasta cercetare a fost realizata ca parte a Parteneriatului de formare doctorala NERC GW4 + din Bristol, care sprijina NAMC. Sprijinul pentru finantare pentru aceasta lucrare a venit dintr-o subventie NERC (NE / J02399X / 1) acordata AMA si unei Societati Regale Dorothy Hodgkin Fellowship pentru PS-B.

Disponibilitatea datelor si a materialelor

Acest proiect de arma de arma genom a fost