Pakitusios paviršinių vandenynų rožių kiaušintakių evoliucijos analizė | nežinomas žurnalas

Pakitusios paviršinių vandenynų rožių kiaušintakių evoliucijos analizė | nežinomas žurnalas

Anonim

Dalykai

  • Bakterijų genomika
  • Jūrų mikrobiologija
  • Filogenetika

Anotacija

Didžioji dauguma vandenyno bakterijų yra nekultūringos. Palyginti su kultūringais giminaičiais, jie dažnai demonstruoja supaprastintą genomą, sumažintą G + C kiekį ir skirtingą genų repertuarą. Šie genomo bruožai yra svarbūs prisitaikant prie aplinkos ir paprastai buvo manoma, kad jūrų bakterijų populiacijose jie įsitvirtina atrankos būdu. Naudodamiesi vienaląsčių genomika, mes sekvenavome keturias nekultivuojamas ląsteles, sujungtas su ekologiškai svarbiu Roseobacter clade ir panaudojome heterogeninį Bajeso filogenominį modelį, kad šie vienaląsčiai genomai išsiskirtų į naują clade. Ši kilmė neturi kultūros atstovų, tačiau kai kuriuose paviršiniuose vandenynų vandenyse ji sudaro ∼ 35% rožbalterių. Daugelio genomo bruožų, įskaitant genomo dydį, G + C kiekį ir nekoduojančios DNR procentinę dalį, analizė rodo, kad šios atskiros ląstelės reprezentuoja vandenyno rožbalterius, bet skiriasi nuo izoliatų. Populiacijų genetinės analizės parodė, kad nekultivuojamoje kloteje pagreitėja fiziškai ir chemiškai skirtingų amino rūgščių ir G + C turtingų kodų pakeitimas G + C neturtingais kodonais - tai procesai, kurie vienodai gerai paaiškinami genetiniu dreifu, kaip ir dažniausiai pasireiškiantis paaiškinimas. natūrali atranka. Santykinė dreifo ir atrankos svarba šiame apvalkale, o galbūt ir kituose jūrų bakterijų kloduose su supaprastintais G + C vargingais genomais, lieka neišspręsta, kol nebus sukaupta daugiau įrodymų.

Įvadas

„Roseobacter“ klade yra alfaproteobakterijų vienaląsčiai pošeimio lygmenys, atstovaujantys iki 20% jūrinės aplinkos bakterijų ląstelių (Moran ir kt., 2007). Šio klado nariai yra žinomi dėl savo didelių ir daug G + C turinčių genomų, pasižyminčių įvairiapusėmis metabolizmo galimybėmis, leidžiančiomis greitai reaguoti į laikinus, maistinėmis medžiagomis praturtintus pleistrus (Moran ir kt., 2004; Buchan ir kt., 2005; Newton ir kt.) ., 2010). Tačiau kelios naujausios metagenominės analizės rodo, kad šios veislės požiūrį gali pakreipti auginamų kamienų ypatybės. Pavyzdžiui, natūraliose rožiųbakterių populiacijose paviršiniuose vandenynų vandenyse yra žymiai mažesnė adhezijos, ląstelių kapsulės formavimosi ir signalo perdavimo perdavimo genų dalis (Luo ir kt., 2012), taip pat judesių ir kvorumo jutimui (Newton et al. 2010), palyginti su gausiais kultūrinių padermių genomais. Be to, vienas auginamas Roseobacter narys, išsišakojęs filogenominio medžio pagrindu, kamienas HTCC2255, turi mažą ir G + C neturtingą genomą, turintį įrodymų, kad genų netekimas yra pakreiptas funkcijomis, susijusiomis su ląstelių ir ląstelių sąveika, transkripcijos reguliavimu ir judrumu (Luo et al., 2013). Visi šie tyrimai rodo, kad Roseobacter klade narių genomo turinys ir gyvenimo istorijos strategijos yra įvairesnės, nei manyta iš pradžių, ir tai gali turėti įtakos jų vaidmeniui heterotrofiniame fiksuotos anglies perdirbime vandenyne (Luo ir kt., 2013).

Remiantis idėja, kad atranka mažina genomo pobūdį, remiamasi supaprastinta genomo hipoteze, kuri paaiškina daugelio jūrų bakterijų taksonams būdingus sumažėjusius genomus (Dufresne ir kt., 2005; Giovannoni ir kt., 2005; Dupont ir kt., 2012). genomo dydis dėl metabolinių išlaidų palaikant DNR, neturinčią adaptacinės vertės. Modernizuotų jūrų bakterijų ląstelės taip pat dažnai yra mažos (potencialiai suteikiančios paviršiaus ir tūrio santykio pranašumą; Dufresne ir kt., 2005), kurių genomai G + C porose yra prasti (kuriai reikia daugiau azoto nei A + T poroms; Grzymski). ir Dussaq, 2012; Swan ir kt., 2013), turi nedaug nekoduojančios DNR (Giovannoni ir kt., 2005; Swan ir kt., 2013) ir palaiko mažiau genų, susijusių su transkripcija ir signalo perdavimu (Swan et al., 2013). Pagrindinis mechanizmas, pagrįstas jūrų bakterijų genomo racionalizavimu, buvo selekcija dėl mažų medžiagų apykaitos išlaidų oligotrofinėje vandenyno aplinkoje (Dufresne ir kt., 2005; Giovannoni ir kt., 2005).

Valomoji atranka, kuri pašalina žalingas mutacijas, laikoma labiausiai paplitusiu natūralios atrankos molekuliniu lygmeniu forma (Nei, 1987; Hughes, 1999, 2008; Nei ir kt., 2010). Baltymus koduojančių genų atrankos gryninimo įrodymai paprastai yra stebėjimas, kai sinoniminių (tyliųjų) pakaitų skaičius vienoje sinoniminėje vietoje (dS) viršija nesinoniminių (aminorūgštis keičiančių) pakaitų skaičių nenononiminėje vietoje (dN). didžioji dauguma genų, nes nesinoniminės mutacijos yra labiau linkusios pakenkti nei sinoniminės mutacijos (Hughes, 2008). Valymas gali būti gana neveiksmingas taksonuose, kuriuose faktinis populiacijos dydis yra mažesnis. Tai gali atsitikti natūralių gyventojų grupėse (pvz., Dėl populiacijos trūkumų ar įkūrėjų efektų) ir dėl to šiek tiek kenksmingų mutacijų atsitiktiniu būdu galima nustatyti genetiniu dreifu (Ohta, 1992) - mechanizmu, vadinamu gryninančios atrankos atsipalaidavimu (Hughes ir Friedmanas, 2009; Hughesas, 2009, 2013).

Šio tyrimo tikslas yra panaudoti molekulinius evoliucinius genetinius metodus, kad būtų galima suprasti vandenyno rožbalterių, kurie rodo genomo modernizavimo įrodymus, evoliuciją. Mūsų dėmesys sutelktas į mechanizmus, dėl kurių skiriasi jų genomo bruožai, palyginti su geriau ištirtais nariais, turinčiais didelius, G + C turtingus genomus, įrengtus maistingų medžiagų turinčiai aplinkai išnaudoti (Moran et al., 2004; Buchan et al., 2005; Newton ir kt., 2010). Šiai analizei mes panaudojome vienos ląstelės amplifikuotus genomus (SAG), gautus atliekant citometrinį vienos bakterijos ląstelių rūšiavimą iš jūros vandens (Swan ir kt., 2013), nes SAG nėra linkę į požymius, reikalingus augti turtingoje, kietoje terpėje ir skirtingai nei metagenominiai rinkiniai, atspindi vieną genomą, tinkantį populiacijos genetinei analizei nukleotidų ir aminorūgščių lygyje. Mūsų rezultatai rodo, kad genetinio dreifo negalima atmesti kaip dominuojančios evoliucijos jėgos, sukeliančios ekologiškai svarbias Roseobacter linijas, turinčias mažesnius ir G + C neturtingus genomus.

Rezultatai ir DISKUSIJA

Roseobacter vienos ląstelės genomo apibūdinimas

Iš Ramiojo ir Atlanto vandenynų buvo atkurti daliniai keturių SAG genomai (1 lentelė), kurių kiekviename genome buvo 0, 6–2, 0 Mbp surinktos DNR. Nustatyta, kad šie SAG reprezentuoja sumažintą genomo dydį turinčias ląsteles (apskaičiuota 2, 6–3, 5 Mbp), naudodamiesi polinomos regresijos modeliu, pagrįstu vienos kopijos genų, konservuotų auginamuose rožių kiaušidėse (1 paveikslas). Vienas iš SAG, C03, turi identišką 16S rRNR geną ir> 97% vidutinio nukleotido tapatumo su HTCC2255 kamienu, kuris šakojasi Roseobacter filogenijos pagrindu ir kurio genomo kiekis atitinka laisvo gyvenimo strategiją (Luo et al., 2013). Kitų trijų SAG (O19, K06, J04) genomo kiekis taip pat žymiai skiriasi nuo auginamų, greičiausiai prie pleistrų pritaikytų rožių kiaušinėlių ( χ 2 -test; P <0, 001). Visų pirma, transkripcijos reguliavime ir replikacijoje / rekombinacijoje / atstatyme dalyvaujantys genai yra žymiai mažiau paplitę šiuose trijuose SAG (Xipe analizė, Rodriguez-Brito ir kt., 2006; 99% pasikliautinasis intervalas, 1000 pakartojimų), funkcijų kategorijos, kaip atstovaujama per mažai. modernizuotuose jūrų bakterijų genomuose (Lauro ir kt., 2009; Yooseph ir kt., 2010; Luo ir kt., 2013; Swan ir kt., 2013). Jie taip pat turi netipiškai žemą G + C kiekį, vidutiniškai 39% (± 1%), palyginti su 60% (± 4%), auginamų rožių kiaušinėlių (vidutiniškai 60%) (2b paveikslas), ir mažesnę nekoduojančios DNR dalį (0, 075 ± 0, 004). ), palyginti su kultivuojamais rožiųbakteriais (0, 109 ± 0, 022) (2c paveikslas), dvi savybės, dažnai susijusios su bakterijų genomo sumažinimu (Giovannoni ir kt., 2005; McCutcheon ir Moran, 2012).

Pilno dydžio lentelė

Image

Regresijos modelis Roseobacter SAG genomo dydžiui įvertinti remiantis 40 kultivuotų Roseobacter padermių genomo statistika. X ašis rodo konservuotų vienos kopijos genų, esančių visose sekvencijuotose Roseobacter genose, skaičiaus santykį su numatomu baltymą koduojančių genų skaičiumi genome; y ašis yra nukleotidų skaičius. Duomenys buvo pritaikyti polinomos regresijos modeliui ( R2 = 0, 93), o modelis buvo naudojamas keturių SAG (C03, O19, K06 ir J04) genomo dydžiui įvertinti, kurie buvo nustatyti 2, 64, 3, 10, 3, 50. ir atitinkamai 2, 65 Mb. Taip pat rodomas numatymo intervalas (PI).

Visas dydis

Image

Trijų SAG-O19 klodo narių genominės savybės, palyginti su metagenominėmis rožių kiaušinėlių sekomis ir izoliatais. G + C kiekio pasiskirstymas, paimtas iš „Global Ocean Survey“ (GOS) metagenominių duomenų rinkinių ( a ) ir kultivuotų Roseobacter genomų ( b ). A skydelyje GOS rožiniųbakterių rodmenys ( n = 5608) buvo identifikuoti naudojant d N dujotiekio programinę įrangą, kuri metagenominius rodmenis priskiria mikrobiniam apvalkalui su dideliu pasitikėjimu (Luo ir kt., 2012). B skydelyje kultivuojami rožiniųbakterių genomai atsitiktine tvarka buvo nukirpti, kad būtų sukurtas in silico metagenomas, ir tada analizuojami kaip aprašyta a skydelyje. Pilka rodyklė skydelyje b rodo vidutinį G + C kiekį SAG. Nekoduojančios DNR ( c ) dalis ir apskaičiuotas vidutinis genomo dydis ( d ) Roseobacter GOS rodo, SAG ir izoliatus. Langelių ir ūsų brėžiniai rodo vidurinę (horizontali linija), pirmojo (Q1) ir trečiojo kvartilio (Q3) (dėžutė) kraštinę ir diapazoną nuo Q1–1, 5 (Q3 – Q1) iki Q3 + 1, 5 (Q3). –Q1) (ūsai); apskritimai nurodo iškrypimus. Išsamią informaciją apie nekoduojamą DNR frakciją ir genomo dydžio įvertinimą galite rasti Medžiagos ir metodai.

Visas dydis

Mes palyginome okeaninių Roseobacter sekų, gautų iš metagenominių duomenų, savybes su SAG ir izoliuotais genomais. Naudojant „ D N“ dujotiekio programinę įrangą (Luo et al., 2012), daugiau nei 5600 „Roseobacter“ skaitymų, gautų iš GOS metagenomo, buvo labai patikimi (Luo ir kt., 2012), kurio pagrindinė smailė buvo 42%, o antrinė smailė - 54%. % (2a pav.). Apskaičiuotas vandenynų genomų dydis buvo 2, 87 (± 0, 15) Mb (2d paveikslas), o nekoduojamo DNR kiekis procentais buvo 0, 076 (± 0, 002) (2c paveikslas). Visos trys šios savybės atitinka SAG charakteristikas, nors skiriasi nuo izoliatų, ir rodo auginimo paklaidą prieš Roseobacter kladės narius su supaprastintais genomais. Taigi SAG genomai suteikia galimybę ištirti šios linijos, kuriai anksčiau molekulinei genetinei analizei buvo neprieinama dalis, evoliuciją. Tačiau pažymime, kad GOS tyrime naudojama frakcionavimo pagal dydį schema (0, 1–0, 8 μm dydžio diapazonas; Rusch ir kt., 2007) buvo pakreipta prieš dideles ir su dalelėmis susijusias Roseobacter ląsteles, ir jos gali labiau priminti kultūrinius štamus. Manoma, kad rožbalteriai paviršiniame vandenyne yra maždaug vienodai pasiskirstę tarp laisvai gyvenančių ir su dalelėmis susijusių ląstelių (Luo ir kt., 2012).

Filogenominė medžio konstrukcija

Tvirtas filogenominis medis buvo pastatytas siekiant atsižvelgti į Roseobacter kladės evoliucijos istoriją. Pradiniai RAxML pagrindu sukurti medžiai buvo nenuoseklūs, atsižvelgiant į tai, ar buvo įtraukti SAG O19, K06 ir J04 (papildomas paveikslas S1), nepaisant to, kad abiem atvejais buvo naudojamas identiškas amino rūgščių ženklų rinkinys. Medžių nenuoseklumas apėmė neišspręstą penkių pagrindinių Roseobacter kladelių išsišakojimų tvarką (Newton ir kt., 2010), kaip rodo žemas įkrovos palaikymas ir ypač ilga SAG C03 šaka HTCC2255 kloteje (papildomas paveikslas S1A), prieštaringa. su savo identiška 16S rRNR geno seka ir> 97% vidutinio nukleotido tapatumo su HTCC2255 genomu.

Yra žinoma, kad platus G + C kiekio diapazonas, toks kaip aptinkamas rožių kūnelių genomuose (37–70%), sukelia kompozicijos paklaidą aminorūgščių sekose (Gu ir kt., 1998; Foster ir Hickey, 1999; Singer ir Hickey), 2000; Swan ir kt., 2013). Toks kompozicijos paklaidumas įveda sistemines filogenetinės rekonstrukcijos klaidas, naudojant standartinius metodus, kurie daro prielaidą, kad aminorūgščių (arba nukleotidų) kompozicija yra homogeniška tarp taksonų (Galtier ir Gouy, 1995; Jermiin ir kt., 2004; Herbeck ir kt., 2005; Foster ir kt.)., 2009; Nesnidal et al., 2010). Galimi aminorūgščių sudėties skirtumai tarp linijų buvo ištirti naudojant užpakalinį nuspėjamąjį modeliavimą, o vėlesni χ 2 -homogeniškumo testai parodė, kad pusė iš 52 ortologinių baltymų grupių, kurias dalijasi visi Roseobacter genomai, reikšmingai pažeidė vienalytę prielaidą dėl aminorūgščių sudėties. medis (papildoma S1 lentelė). Medžio masto kompozicinės variacijos klausimui įvertinti filogenominio medžio statybai buvo pasirinktas P4 Bajeso filogenetinės programinės įrangos paketas (Foster, 2004), nes jis įgyvendina NDCH modelį, kuris leidžia įvairinti medžio sudėtį, ir NDRH modelį, kuris leidžia skirtingas medžiagas. Įvairių šakų matricos. P4 filogenominis medis išsprendė ankstesnius klausimus ir buvo paremtas didelėmis užpakalinėmis tikimybėmis visose vidinėse šakose (3 pav.). Šiame medyje SAG O19, K06 ir J04 sudarė naują gvazdikėlį be jokių kultūrinių atstovų (3 paveikslas; toliau - SAG-O19 vėžė). Be to, SAG-O19 klodo nariai P4 medyje rodo nepaprastai ilgas šakeles (1 pav.), Kas rodo padidintą šio nekultūringo klodo evoliucijos greitį.

Image

Bajeso filogenominis medis Roseobacter klade, naudojant P4 programinės įrangos pakete esantį heterogeninį kompozicijos modelį, pagrįstą 52 vienkartinių ortologinių baltymų sekų susikaupimu. Mastelio juosta rodo pakeitimų skaičių vienoje vietoje. Reikšmė šalia kiekvienos vidinės šakos yra užpakalinė tos šakos tikimybė. Medis yra įsišaknijęs naudojant keturis alfaproteobakterijų ( Hyphomonadaceae , Caulobacterales , Rhizobiales ) seserų klodų genomus; pogrupiai nerodomi. SAG klodas yra paryškintas mėlyna spalva, valdymo brėžinio pavyzdys yra paryškintas oranžine spalva, o likę elementai, naudojami apskaičiuojant d R / d C santykį, yra pažymėti žalia spalva. Į analizę nebuvo įtraukta pagrindinė linija, susidedanti iš HTCC2255 ir SAG C03. G + C kiekis ir genomo dydis nurodyti dviejuose dešiniuose stulpeliuose, pastarasis įvertintas naudojant nepilnų genomų regresijos modelį (1 paveikslas). Plazmidės, jei tokių yra, neįtraukiamos į genomo dydžio skaičiavimą.

Visas dydis

Padidėjęs nevienalyčių aminorūgščių pakaitų evoliucinis greitis nekultivuojame klide

Naudojant metodus, pagrįstus genomo suskaidymu ir 16S rRNR geno analize (žr. Medžiagos ir metodai), nustatyta, kad SAG-O19 apvalkalas sudaro ∼ 35% laisvai gyvenančių Roseobacter ląstelių (<0, 8 μm) GOS metagenominiuose paviršiaus vandenynų mėginiuose. vandenys (papildomas S2 paveikslas). Nukleotidų pakeitimo modelių palyginimas gali parodyti evoliucijos jėgų, sukeliančių šią gausią liniją, prigimtį. Įprastas grynosios atrankos efektyvumo diagnozavimo metodas palygina dN ir dS santykio genomo vidurkį tarp skirtingų rūšių (Clark ir kt., 1999; Wernegreen ir Moran, 1999; Hu ir Blanchard, 2009; Kuo ir kt.). ., 2009). Kadangi nesinoniminės mutacijos yra labiau tikėtinos žalingos nei sinoniminės mutacijos, padidėjusi genomo reikšmė rodo, kad dėl gryninančios atrankos atsipalaidavimo susikaupė daugiau žalingų mutacijų (Ohta, 1992). Pagrindinis šio požiūrio apribojimas yra tai, kad jis taikomas tik glaudžiai susijusioms giminystės linijoms; labiau skirtingoms sekoms sinoniminės vietos yra prisotintos pakaitomis, todėl dS įverčiai yra nepatikimi (Ochman ir kt., 1999; Luo ir Hughes, 2012). „Roseobacter SAG-O19“ klodas dN / d S netaikomas dėl sodrumo sinoniminėse vietose.

Taikydami alternatyvų metodą, mes ištyrėme nenustatytų pakaitų tipus SAG-O19 klote. Konservatyvūs pakaitalai, kuriuose yra panašių fizikocheminių savybių turinčios aminorūgštys, yra labiau paplitę nei radikalūs pakaitai, kuriuose yra aminorūgščių, turinčių esminių fizikinių ir cheminių savybių skirtumų (Zuckerkandl ir Pauling, 1965; Dayhoff ir kt., 1972). Šis šališkumas priskiriamas didesniam gryninimo atrankos intensyvumui dėl pokyčių, turinčių įtakos baltymų funkcijai. Radikalų (dR) ir konservatyvių (dC) pakaitų rodikliai Roseobacter genomuose buvo apskaičiuoti klasifikuojant aminorūgštis į tris grupes pagal krūvį (teigiamą, neigiamą ir neutralią; Hughes et al., 1990) ir apskaičiuojant radikalų skaičių (tos, kurios yra tarp įkrovos grupių) nonsinoniminių pakaitų radikalioje nesinoniminėje vietoje (dR) ir konservatyvių (užkraunamų grupių viduje) nonsinoniminių pakaitų skaičius konservatyviose nesinoniminėse vietose ( d C ) (Hughes ir kt., 1990; Zhang, 2000). D R / d C santykio genomo vidurkis buvo naudojamas anksčiau, kad būtų galima palyginti gryninimo atrankos efektyvumą tarp skirtingų rūšių, su išpūstine vidutine verte, rodančia sušvelnintą gryninimo atranką (Zhang, 2000; Eyre-Walker ir kt., 2002; Hughesas ir Friedmanas, 2009; Wernegreen, 2011). Šio metodo pranašumai yra tai, kad jis taikomas duomenų rinkiniams, kurių sekos yra per daug skirtingos sinoniminės vietos analizei ir sukuria populiacijos genetikos aplinką senovės įvykiams spręsti.

Trijų SAG-O19 klodo genomų nesinoniminio pakeitimo schema buvo palyginta su kontrolinių izoliatų klodais, panašiai susidedančiais iš trijų genomų. Paskirtos šešios skirtingos kontrolės schemos, kurios visos davė kokybiškai vienodus rezultatus (4 paveikslas); Čia išsamūs tik MED193 / SK209-2-6 / Y4I kontrolės grupės rezultatai. Daugiau nei 500 ortologų vidutiniai d C ir d R buvo apskaičiuoti pagal šiuos du palyginimų rinkinius: (1) tarp SAG-O19 klodo ir likusių genomų (išskyrus kontrolinį apvalkalą ir bazinę HTCC2255 liniją; žr. Medžiagos ir metodai). ir 3 ir 2 pav. tarp kontrolinio apvalkalo ir likusių genomų (išskyrus SAG-O19 apvalkalą ir bazinę HTCC2255 liniją). Kaip ir tikėtasi, vidutinis d C buvo žymiai didesnis už vidurkį d R (0, 297 ± 0, 004 vs 0, 287 ± 0, 004 palyginimams su SAG-O19 klotu; 0, 209 ± 0, 003 vs 0, 192 ± 0, 003 palyginimams, susijusiems su kontroline skraiste; suporuotas t- testas P <0, 001 abiem), patvirtinantis numatomą poslinkį link konservatyvių aminorūgščių pokyčių. Tačiau vidutinis santykis d R / d C buvo žymiai didesnis SAG-O19 apvalkalu (0, 970 ± 0, 007), palyginti su kontroliniais apvalkalais (0, 916 ± 0, 007, palyginti su MED193 / SK209-2-6 / Y4I; lyginant su t- testu) ; P <0, 001; 4 paveikslas), kas rodo, kad SAG-O19 klodo silpnumas prieš konservatyvius aminorūgščių pokyčius yra silpnesnis. Atlikome panašią analizę, kurioje aminorūgštys buvo klasifikuojamos pagal tūrį ir poliškumą (2 lentelė; Miyata ir kt., 1979), o ne pagal krūvį. Tai taip pat parodė didesnį fizikochemiškai skirtingų amino rūgščių pokyčių SAG-O19 kloteje santykį su kultivuojamaisiais. Roseobacter klades (duomenys nepateikti). Todėl d R / d C analizė atitinka hipotezę, kad gryninančiojo atrankos atsipalaidavimas yra dominuojanti evoliucijos jėga, sukelianti klodą.

Image

Radikalų (dR) ir konservatyvių (dC) pakaitalų santykis, pagrįstas SAG-O19 klodo ir šešių kontrolinių klodų aminorūgščių fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis (čia parodyta, krūvis). Brūkšniai rodo vieną standartinį vidurkio nuokrypį. Valdymo blokuose rodomi tik kamienų pavadinimai; visus pavadinimus galite rasti 3 paveiksle.

Visas dydis

Pilno dydžio lentelė

Padidėjęs G + C kiekio kitimo evoliucinis greitis neaktivizuoto klode

Kadangi SAG-O19 kladės nariai turi žymiai mažesnį G + C kiekį, palyginti su dauguma kitų Roseobacter linijų, mes ištyrėme, ar šį skirtumą lemia selektyviojo slėgio pokytis. 20 aminorūgščių buvo suskirstytos į tris grupes pagal G + C kiekį pirmosiose dviejose kodono vietose (nes natūrali atranka daugiausia vyksta dėl nukleotidų pakaitų, dėl kurių keičiasi aminorūgštys): didelis G + C, žemas G + C ir neutralus (3 lentelė). Taikydami tą patį analizės planą, kaip aprašyta aukščiau, mes palyginome kodono pakeitimo modelį SAG-O19 apvalkale ir kiekvienam iš šešių skirtingų kontrolinių klodų su likusiais Roseobacter genomais. Palyginimuose su SAG-O19 klotu vidutinis d vidurkis (grupės viduje; 0, 323 ± 0, 004) buvo žymiai didesnis už vidurkį d tarp (tarp grupės; 0, 267 ± 0, 004; suporuotas t- testas; P <0, 001). Panašiai, palyginimuose, kuriuose dalyvavo MED193 / SK209-2-6 / Y4I kontrolinis apvalkalas, vidutinis d vidurkis (0, 242 ± 0, 003) buvo žymiai didesnis už vidurkį d tarp (0, 144 ± 0, 003; suporuotas t- testas; P <0, 001). Taigi abiejuose palyginimų rinkiniuose pirmenybė teikiama aminorūgščių pokyčiams kodonams, kurių G + C kiekis yra panašus. Tačiau vidutinis santykis d tarp / d viduje buvo žymiai didesnis palyginimuose, kuriuose dalyvavo SAG-O19 apvalkalas (0, 811 ± 0, 005), nei palyginant visus šešis valdymo blokus (0, 708 ± 0, 004, palyginti su MED193 / SK209-2-6 / Y4I). ; suporuotas t- testas; P <0, 001), kas rodo didesnį G + C skurdžių kodonų pakeitimo greitį SAG-O19 klote.

Pilno dydžio lentelė

Nepakitusio SAG-O19 klodo pakeitimo iš G + C turtingų į G + C neturtingų kodonų pagreitis gali būti ir atrankos, ir dreifuojančių paaiškinimų. Mažas jūrinių bakterioflanktono genomų G + C kiekis dažnai priskiriamas adaptacijai, atrenkant azoto išsaugojimą oligotrofiniame vandenyne. Tai pasiekiama mažinant ląstelių kvotas, naudojant genomą, naudojant azoto neturinčias A / T nukleobazes, ir sumažinant azoto sąnaudas. proteome (Bragg ir Hyder, 2004; Martin-Cuadrado ir kt., 2008; Grzymski ir Dussaq, 2012). Kita vertus, bakterijoms būdingas mutacinis poslinkis nuo G / C iki A / T (Lind ir Andersson, 2008; Balbi ir kt., 2009; Hershberg ir Petrov, 2010; Hildebrand ir kt., 2010). Taigi, kai yra daug G + C turinčių linijų, galima daryti išvadą, kad gryninantis atranka palaikė G + C kiekį (Balbi ir kt., 2009; Hershberg ir Petrov, 2010; Hildebrand ir kt., 2010; Raghavan ir kt.)., 2012), ir, atvirkščiai, linijas, turinčias mažą G + C kiekį, gali sukelti atsitiktinė fiksacija, atsipalaidavusi po gryninančio pasirinkimo. Roseobakterių atveju, palyginti su G + C skurdžiu SAG-O19 klotu, lyginant su G + C skurdžiu SAG-O19, vidutinis santykis d tarp / d buvo žymiai didesnis, rezultatą galima paaiškinti gryninančio atrankos atsipalaidavimu. SAG-O19 klode.

Jei šiame klide pasirenkamas mažas G + C kiekis, drifto komponento priskyrimas aukštam D / C C yra mažiau stiprus, nes selektyvus slėgis mažinti G + C kiekį gali trukdyti atrankai išsaugoti fizikochemines aminorūgštis savybes. Kitaip tariant, radikalių pokyčių tinkamumo išlaidas būtų galima subalansuoti mažinant G + C kiekį. Tačiau prielaida, kad atranka teikia pirmenybę mažam G + C kiekiui jūrinėse bakterijose, yra prieštaringa. Pavyzdžiui, LD12 kladoje esantys nariai yra gėluose vandenyse, kur N nėra ribojamas, tačiau jų G + C kiekis yra toks pat mažas kaip jų jūrinių SAR11 giminaičių (∼ 30%; Giovannoni ir kt., 2005), ir tai rodo, kad kiti veiksniai nei atranka į N taupymą turėjo veikti formuojant šiuos G + C neturtingus genomus (Ghai ir kt., 2011).

Išvada

Patobulinti genomai randami keliose kitose vyraujančiose jūrinėse bakterijose, tokiose kaip SAR11 (Giovannoni ir kt., 2005), SAR86 (Dupont ir kt., 2012) ir Prochlorococcus (Rocap ir kt., 2003). Nors šių linijų veiksmingo populiacijos dydžio tiesioginio įvertinimo nėra, paprastai manoma, kad jie yra gana dideli, todėl genetinio dreifo galia yra kuo mažesnė (Morris ir kt., 2012) ir selektyviosios jėgos daro įtaką formuojant tokias savybes kaip genomas. dydis (Dufresne ir kt., 2005; Giovannoni ir kt., 2005; Hu ir Blanchard, 2009; Grote ir kt., 2012; Morris ir kt., 2012) ir nukleotidų sudėtis (Giovannoni et al., 2005; Martin-Cuadrado et al., 2008). Iš tiesų, maži genomai gali padidinti medžiagų apykaitos efektyvumą ir sukelti mažesnes ląsteles, padidindami paviršiaus ir tūrio santykį, kurie abu yra naudingi bakterijoms, gyvenančioms oligotrofiniuose vandenynuose (Dufresne et al., 2005; Giovannoni et al., 2005). Be to, ląstelės, turinčios G + C neturtingus genomus, sunaudoja mažiau azoto tiek genomuose, tiek baltymuose, palyginti su ląstelėmis, turinčiomis turtingus G + C genomus (Bragg ir Hyder, 2004; Grzymski ir Dussaq, 2012). Kiti paaiškinimai, kodėl jūrų bakterijose yra racionalizuojamas genomas, apima bakterijų gyvenimo būdo pokyčius, dėl kurių anksčiau reikalingi genai tapo nereikalingi. Šis gryninančios selektyvios nebūties genų sušvelninimas (Luo ir kt., 2011a, 2013) nereikalauja sumažinti veiksmingo populiacijos dydžio ir todėl neprieštarauja atrankos hipotezei.

Čia apžvelgėme supaprastinto apvalkalo evoliucijos istoriją Roseobacter giminėje, analizuodami atskirų, nekultivuotų ląstelių genomus, suradę pagreitėjusios evoliucijos link nekonservatyvių aminorūgščių pokyčių ir mažo G + C kiekio įrodymus, kurie rodo galimą genetinio dreifo vaidmenį. Iš pažiūros prieštaringi dreifo ir pasirinkimo paaiškinimai gali būti suderinti, jei šios evoliucijos jėgos veikė skirtingais laikotarpiais per clade evoliucijos istoriją. Konceptualūs šių evoliucijos procesų skirtumai, įskaitant tai, ar genomo bruožų fiksacija atsiranda atsitiktinai nustatant neutralias ar net šiek tiek kenksmingas mutacijas, ar kryptingai evoliucionuojant link palankių variantų fiksavimo, yra pagrindiniai mūsų supratimo apie mikrobų adaptaciją vandenyne principai.

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildomi skaičiai

  2. 2.

    Papildoma S1 lentelė

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    Papildomos paveikslėlių ir lentelių legendos

    Papildoma informacija pridedama prie šio dokumento „ISME Journal“ svetainėje (//www.nature.com/ismej)