Изменчивость числа копий генома на уровне рода, вида и популяции влияет на экологический анализ динофлагеллят in situ и вредоносное цветение водорослей.

ISME Communications, том 3, номер статьи: 70 (2023 г.) Цитировать эту статью

768 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Применение мета-баркодирования, qPCR и метагеномики к водным эукариотическим микробным сообществам требует знания изменчивости числа копий генома (CNV). CNV может иметь особое значение для функциональных генов, влияя на дозировку и экспрессию, однако мало что известно о масштабах и роли CNV у микробных эукариот. Здесь мы количественно оценили CNV рРНК и гена, участвующего в синтезе паралитического токсина моллюсков (PST) (sxtA4), в 51 штамме 4 видов Alexandrium (Dinophyceae). Геномы различались до трех раз внутри вида и примерно в 7 раз между видами, причем самый большой (A. pacificum, 130 ± 1,3 пг клеток-1 / ~ 127 Гбит/с) относился к категории наибольшего размера среди всех эукариот. Число геномных копий (GCN) рРНК в Александрии варьировалось на 6 порядков (102–108 копий клетка-1) и значительно зависело от размера генома. Внутри популяции CNV рРНК составлял 2 порядка (105 – 107 клеток-1) в 15 изолятах из одной популяции, демонстрируя, что количественные данные, основанные на генах рРНК, требуют значительной осторожности при интерпретации, даже если они проверены на основе локально изолированных штаммов. Несмотря на 30-летнее пребывание в лабораторной культуре, CNV рРНК и изменчивость размера генома не коррелировали со временем пребывания в культуре. Объем клеток был лишь слабо связан с рРНК GCN (дисперсия 20–22% объяснялась у динофлагеллят, 4% у Gonyulacales). GCN sxtA4 варьировал от 0 до 102 копий клетки-1, был в значительной степени связан с PST (ng клетка-1), демонстрируя эффект дозы гена, модулирующий выработку PST. Наши данные показывают, что у динофлагеллят, основной группы морских эукариот, низкокопийные функциональные гены являются более надежными и информативными мишенями для количественной оценки экологических процессов, чем нестабильные гены рРНК.

Вариации числа геномных копий (CNV) все чаще документируются в геномах эукариот, бактерий и архей [1,2,3,4,5] и представляют собой основной источник внутривидовых и популяционных генетических вариаций. Влияние CNV на выражение фенотипических признаков было охарактеризовано в исследованиях цветущих растений, позвоночных, дрожжей и здоровья человека, включая многие модельные организмы [1,2,3,4,5]. CNV эукариот могут привести к увеличению экспрессии и дозировки, обеспечивая потенциальное селективное преимущество [1, 3, 5,6,7]. Несмотря на свою потенциальную важность, масштаб и роль CNV в большинстве немодельных организмов, включая морские микробные эукариоты, плохо изучены.

Хотя CNV зарегистрирован у морских микробных эукариот [8,9,10,11,12,13], а несколько исследований показали, что гены рРНК могут различаться по количеству копий или последовательностям [14, 15], до сих пор относительно неясно, CNV оказывает значительное влияние на количественные молекулярно-экологические исследования с использованием метабаркодирования, метагеномики и qPCR [10]. В исследованиях количественной молекулярной экологии морских простейших обычно используются области оперона рРНК для анализа структуры сообщества из-за широкого охвата генов рРНК в справочных базах данных, способности различать таксоны и высокого числа геномных копий (GCN) у эукариот (> 102). ячейка-1), что способствует повышению чувствительности обнаружения [9,10,11,12]. Однако у животных, грибов и растений копии генов рРНК присутствуют в разной степени: от 102–104 копий клетка-1 [9, 10, 16,17,18] с аналогичным диапазоном (103–104 копий клетка-1) у животных, грибов и растений. диатомовые водоросли (Stramenopiles) [19]. Другие группы микробных эукариот могут демонстрировать большую изменчивость: от 103–105 копий клетки-1 у инфузорий (Alveolata) [11] и 102–105 у фораминифер (Rhizaria) [12]. У большинства видов микробных эукариот число копий генов рРНК считается более стабильным [19, 20], однако это изучается относительно немногими исследованиями [11, 12, 19].

Динофлагелляты охватывают наиболее вредные таксоны, образующие цветение водорослей (HAB), а также составляют до 50% морской микробной эукариотической биомассы и, таким образом, являются основным компонентом водных микробных экосистем [13]. Размер генома у динофлагеллят значительно варьируется (от ~1 до >150 Гб), включая некоторые из крупнейших известных эукариотических геномов, превышающих геномы крупнейших животных (двоякодышащие рыбы, 130 Гб) и растений (Paris japonica, 149 Гб) [21,22, 23,24,25]. Дупликация генов и крупномасштабная экспансия, по-видимому, произошли среди геномов динофлагеллят, а кодирующие гены часто присутствуют в множественных тандемных повторах [26,27,28,29,30]. Геномы видов кораллов-симбионтов (Dinophyceae: Symbiodinaceae) демонстрируют высокодинамическую эволюцию, обусловленную расширением семейства генов как посредством тандемной дупликации [28, 29], так и ретропозиции [31, 32]. Значительная вариация размера генома и очень большие геномы встречаются у многих планктонных отрядов динофлагеллят [33], а также у других групп морских микробных эукариот, таких как фораминиферы, инфузории и амебозоа [33]. Считается, что GCN генов рРНК на протяжении большей части жизни эукариот широко коррелирует с размером генома [18]. Столь большие и динамичные размеры генома позволяют предположить, что в этих таксонах может существовать значительная часть CNV.