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Comunicazioni ISME volume 3, articolo numero: 57 (2023) Citare questo articolo

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I cianobatteri sono batteri fotosintetici ossigenati che svolgono una parte sostanziale della produzione primaria globale. Alcune specie sono responsabili di eventi ambientali catastrofici, chiamati fioriture, che sono diventati sempre più comuni nei laghi e nei corpi d’acqua dolce come conseguenza dei cambiamenti globali. La diversità genotipica è considerata essenziale per la popolazione di cianobatteri marini, poiché consente loro di far fronte alle variazioni ambientali spazio-temporali e di adattarsi a specifiche micro-nicchie nell'ecosistema. Questo aspetto è tuttavia sottovalutato nello studio dello sviluppo della fioritura e dato poco in considerazione negli studi sull'ecologia dei cianobatteri dannosi. Qui abbiamo confrontato i genomi di quattro ceppi di Aphanizomenon gracile, una specie di cianobatteri filamentosi tossinogeni (Nostocales) presenti in tutto il mondo nelle acque dolci e salmastre. Fascicoli di dimensioni millimetriche sono stati isolati da un singolo campione di acqua e sono stati mantenuti in coltura dal 2010. Uno studio comparativo ha rivelato un'ampia eterogeneità nel contenuto genetico, nonostante dimensioni del genoma simili e indici di somiglianza elevati. Queste variazioni erano principalmente associate a elementi genetici mobili e cluster di geni biosintetici. Per alcuni di questi ultimi, l'analisi metabolomica ha confermato la produzione di metaboliti secondari correlati, come cianotossine e carotenoidi, che si ritiene svolgano un ruolo fondamentale nella fitness dei cianobatteri. Nel complesso, questi risultati hanno dimostrato che una fioritura di A. gracile potrebbe essere una popolazione altamente diversificata su scala spaziale bassa e hanno sollevato dubbi sui potenziali scambi di metaboliti essenziali tra gli individui.

Il successo ecologico dei cianobatteri è in parte il risultato della diversità intraspecifica degli ecotipi [1,2,3], gruppi di individui che condividono ottimi valori di crescita per fattori ambientali come la temperatura e l'intensità della luce, che consentono alla popolazione di far fronte alle esigenze spaziotemporali. variazioni nel loro habitat. Inferenze filogenetiche basate su geni singoli (ad esempio, Internal Transcript Spacer, ITS) o multipli consentono di raggruppare questi membri dell'ecotipo all'interno di un clade, suggerendo la selezione per capacità adattative. In termini di contenuto genetico gli ecotipi possono tuttavia presentare anche notevoli divergenze tra loro. Ad esempio, i set di geni coinvolti nell'assimilazione del fosforo, un fattore abiotico essenziale per la crescita dei cianobatteri, divergono tra ecotipi provenienti da ecosistemi acquatici ricchi di fosforo o limitati da fosforo [4,5,6]. Per le specie cianobatteriche ben studiate Prochronochoccus marinus (Synechococcales) e Microcystis aeruginosa (Chroococcales), un singolo ecotipo può contenere anche molti ceppi con genotipi distinti. Questa cosiddetta microdiversità si basa principalmente in queste specie su un'elevata plasticità genomica [7], guidata in parte da elementi genetici mobili [7,8,9] e si presume sia coinvolta nell'adattamento degli individui a specifiche micro-nicchie [10] .

L'Aphanizomenon gracile è un cianobatterio filamentoso che fissa l'azoto in grado di formare fascicoli ed è responsabile di fioriture tossiche negli ecosistemi acquatici d'acqua dolce e salmastra. Appartiene all'ordine Nostocales, per il quale non sono disponibili dati sulla diversità genetica intrapopolazione. In questo studio, abbiamo sequenziato i genomi di quattro ceppi di A. gracile isolati da un singolo campione di acqua per mettere in discussione la diversità intra-popolazione su scala spaziale ridotta.

Abbiamo sequenziato e assemblato i genomi di quattro ceppi di A. gracile (PMC627.10, PMC638.10, PMC644.10 e PMC649.10) inizialmente isolati da un singolo campione di acqua e mantenuti in monocoltura (vedere Metodi supplementari). I genomi risultanti mostravano una completezza quasi perfetta (dal 99,18% per PMC649.10 al 100% per PMC638.10), ma erano composti da numerose sequenze, comprese tra 65 (PMC627.10) e 238 (PMC644.10), a causa di un gran numero di sequenze ripetute. I quattro genomi erano molto simili per dimensioni (5,40 ± 0,03 Mb), contenuto di GC (38,35 ± 0,05%) e numero di tRNA (da 40 a 42) (Tabella 1). Ciascun ceppo condivideva con gli altri una somiglianza minima di sequenza del 99,86% con il gene codificante per l'rRNA 16S, mentre le sequenze ITS erano tutte identiche (Fig. S1). A livello dell'intero genoma, la vicinanza tra i ceppi è stata supportata dall'ANI (Identità media dei nucleotidi, Tabella 1) a coppie con valori ≥99,12%. Un tale livello di somiglianza porta solitamente alla conclusione che gli organismi correlati appartengono alla stessa unità tassonomica operativa e per estensione allo stesso ecotipo del pico-cianobatterio marino unicellulare filogeneticamente distante, Prophylococcus marinus, in cui la microdiversità è stata studiata a fondo [11] . In assenza di dati fisiologici che confermino gli ecotipi dei ceppi di A. gracile, questi risultati ci consentono di interpretare la variabilità interna dei ceppi di A. gracile in un contesto di microdiversità.