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ISME Communications volume 3, Número do artigo: 57 (2023) Citar este artigo

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As cianobactérias são bactérias fotossintéticas oxigenadas que desempenham uma parte substancial da produção primária global. Algumas espécies são responsáveis ​​por eventos ambientais catastróficos, chamados de blooms, que se tornaram cada vez mais comuns em lagos e corpos de água doce como consequência das mudanças globais. A diversidade genotípica é considerada essencial para a população de cianobactérias marinhas, permitindo-lhe lidar com as variações ambientais espaço-temporais e adaptar-se a micro-nichos específicos do ecossistema. Este aspecto é subestimado no estudo do desenvolvimento da floração, no entanto, e recebe pouca atenção em estudos da ecologia de cianobactérias nocivas. Aqui comparamos os genomas de quatro cepas de Aphanizomenon gracile, uma espécie de cianobactéria filamentosa toxinogênica (Nostocales) encontrada em todo o mundo em água doce e salobra. Fascículos milimétricos foram isolados de uma única amostra de água e mantidos em cultura desde 2010. Um estudo comparativo revelou extensa heterogeneidade no conteúdo gênico, apesar do tamanho semelhante do genoma e dos altos índices de similaridade. Essas variações foram associadas principalmente a elementos genéticos móveis e grupos de genes biossintéticos. Para alguns destes últimos, a análise metabolômica confirmou a produção de metabólitos secundários relacionados, como cianotoxinas e carotenóides, que desempenham um papel fundamental na aptidão cianobacteriana. Juntos, esses resultados demonstraram que uma floração de A. gracile pode ser uma população altamente diversa em baixa escala espacial e levantou questões sobre potenciais trocas de metabólitos essenciais entre indivíduos.

O sucesso ecológico das cianobactérias é em parte resultado da diversidade intra-específica de ecótipos [1,2,3], grupos de indivíduos que compartilham ótimos ótimos de crescimento para fatores ambientais, como temperatura e intensidade de luz, que permitem à população lidar com as mudanças espaço-temporais. variações em seu habitat. Inferências filogenéticas baseadas em genes únicos (por exemplo, espaçador transcrito interno, ITS) ou múltiplos permitem agrupar esses membros do ecotipo dentro de um clado, sugerindo a seleção para capacidades adaptativas. Em termos de conteúdo genético, no entanto, os ecótipos também podem apresentar divergências significativas entre si. Por exemplo, os conjuntos de genes envolvidos na assimilação de fósforo, um fator abiótico essencial para o crescimento de cianobactérias, divergem entre ecótipos de ecossistemas aquáticos ricos ou limitados em P [4,5,6]. Para as bem estudadas espécies de cianobactérias Prochlorochoccus marinus (Synechococcales) e Microcystis aeruginosa (Chroococcales), um único ecótipo também pode conter muitas cepas com genótipos distintos. Essa chamada microdiversidade depende principalmente dessas espécies de uma alta plasticidade genômica [7], impulsionada em parte por elementos genéticos móveis [7,8,9] e é considerada envolvida na adaptação de indivíduos a micro-nichos específicos [10] .

Aphanizomenon gracile é uma cianobactéria filamentosa fixadora de nitrogênio capaz de formar fascículos e é responsável por florações tóxicas em ecossistemas aquáticos de água doce e salobra. Pertence à ordem Nostocales, sobre a qual não há dados disponíveis sobre a diversidade genética intrapopulacional. Neste estudo, sequenciamos os genomas de quatro linhagens de A. gracile isoladas de uma única amostra de água para questionar a diversidade intrapopulacional em baixa escala espacial.

Sequenciamos e montamos os genomas de quatro linhagens de A. gracile (PMC627.10, PMC638.10, PMC644.10 e PMC649.10) inicialmente isoladas de uma única amostra de água e mantidas em monocultura (ver Métodos Suplementares). Os genomas resultantes exibiram completude quase perfeita (de 99,18% para PMC649.10 a 100% para PMC638.10), mas foram compostos por numerosas sequências, entre 65 (PMC627.10) e 238 (PMC644.10), devido a uma grande número de sequências repetidas. Os quatro genomas foram muito semelhantes em tamanho (5,40 ± 0,03 Mb), conteúdo de GC (38,35 ± 0,05%) e número de tRNAs (de 40 a 42) (Tabela 1). Cada cepa compartilhou com as outras uma similaridade mínima de sequência de 99,86% com o gene codificador do rRNA 16S, enquanto as sequências ITS eram todas idênticas (Fig. S1). Em todo o nível do genoma, a proximidade entre as cepas foi suportada por pares de ANI (Average Nucleotide Identity, Tabela 1) com valores ≥99,12%. Tal nível de similaridade geralmente leva à conclusão de que organismos relacionados pertencem à mesma unidade taxonômica operacional e, por extensão, ao mesmo ecótipo que a pico-cianobactéria unicelular marinha filogeneticamente distante, Prochlorococcus marinus, na qual a microdiversidade foi exaustivamente estudada [11] . Na ausência de dados fisiológicos que confirmem os ecótipos das cepas de A. gracile, esses achados permitem interpretar a variabilidade interna das cepas de A. gracile em um contexto de microdiversidade.