La variabilità del numero di copie genomiche a livello di genere, specie e popolazione influisce sulle analisi ecologiche in situ di dinoflagellati e fioriture algali dannose

Comunicazioni ISME volume 3, articolo numero: 70 (2023) Citare questo articolo

768 accessi

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

L'applicazione di meta-barcoding, qPCR e metagenomica alle comunità microbiche eucariotiche acquatiche richiede la conoscenza della variabilità del numero di copie genomiche (CNV). La CNV può essere particolarmente rilevante per i geni funzionali, influenzando il dosaggio e l'espressione, ma si sa poco della portata e del ruolo della CNV negli eucarioti microbici. Qui, quantifichiamo il CNV dell'rRNA e un gene coinvolto nella sintesi della tossina paralitica dei molluschi (PST) (sxtA4), in 51 ceppi di 4 specie di Alexandrium (Dinophyceae). I genomi variavano fino a tre volte all'interno delle specie e ~7 volte tra le specie, con il più grande (A. pacificum, 130 ± 1,3 pg cell−1 /~127 Gbp) nella categoria di dimensioni più grandi di qualsiasi eucariota. I numeri di copie genomiche (GCN) dell'rRNA variavano di 6 ordini di grandezza tra Alexandrium (102-108 copie cellula-1) ed erano significativamente correlati alla dimensione del genoma. All'interno della popolazione il CNV dell'rRNA era di 2 ordini di grandezza (105 – 107 cellule-1) in 15 isolati da una popolazione, dimostrando che i dati quantitativi basati sui geni dell'rRNA necessitano di notevole cautela nell'interpretazione, anche se convalidati rispetto a ceppi isolati localmente. Nonostante un periodo di coltura di laboratorio fino a 30 anni, la variabilità del CNV dell'rRNA e delle dimensioni del genoma non erano correlate al tempo di coltura. Il volume cellulare era solo debolmente associato all'rRNA GCN (varianza del 20-22% spiegata tra i dinoflagellati, 4% nei Gonyaulacales). Il GCN di sxtA4 variava da 0 a 102 copie di cellula-1, era significativamente correlato ai PST (ng cellula-1), mostrando un effetto di dosaggio genico che modulava la produzione di PST. I nostri dati indicano che nei dinoflagellati, un importante gruppo eucariotico marino, i geni funzionali a bassa copia sono obiettivi più affidabili e informativi per la quantificazione dei processi ecologici rispetto ai geni rRNA instabili.

La variazione del numero di copie genomiche (CNV) è sempre più documentata nei genomi eucariotici, batterici e arcaici [1,2,3,4,5] e rappresenta una delle principali fonti di variazione genetica intraspecifica e a livello di popolazione. L'impatto del CNV sull'espressione dei tratti fenotipici è stato caratterizzato in piante da fiore, vertebrati, lieviti e ricerche sulla salute umana, inclusi molti organismi modello [1,2,3,4,5]. Le CNV eucariotiche possono portare ad un aumento dell'espressione e del dosaggio, fornendo un potenziale vantaggio selettivo [1, 3, 5,6,7]. Nonostante la sua potenziale importanza, la portata e il ruolo del CNV nella maggior parte degli organismi non modello, compresi gli eucarioti microbici marini, sono scarsamente compresi.

Sebbene il CNV sia stato segnalato negli eucarioti microbici marini [8,9,10,11,12,13] e alcuni studi abbiano indicato che i geni rRNA potrebbero variare nel numero di copie o nelle sequenze [14, 15], non è ancora relativamente chiaro se La CNV ha un impatto significativo sugli studi ecologici molecolari quantitativi che utilizzano meta-barcoding, meta-genomica e qPCR [10]. Gli studi quantitativi di ecologia molecolare dei protisti marini generalmente utilizzano regioni dell'operone rRNA per analisi della struttura della comunità a causa dell'ampia copertura dei geni rRNA nei database di riferimento, della capacità di risolvere taxa e di un elevato numero di copie genomiche (GCN) negli eucarioti (>102 cell−1) che aiuta nella sensibilità di rilevamento [9,10,11,12]. Tuttavia, negli animali, nei funghi e nelle piante, le copie del gene rRNA sono presenti in modo variabile, da 102 a 104 copie nella cella −1 [9, 10, 16,17,18], con un intervallo simile (103–104 copie nella cellula −1) in diatomee (Stramenopiles) [19]. Altri gruppi di eucarioti microbici possono mostrare una variazione maggiore, da 103-105 copie cellula-1 nei ciliati (Alveolata) [11] e 102-105 nei foraminiferi (Rhizaria) [12]. Nella maggior parte delle specie di eucarioti microbici, i numeri di copie del gene rRNA sono considerati più stabili [19, 20], tuttavia, relativamente pochi studi hanno esaminato questo aspetto [11, 12, 19].

I dinoflagellati comprendono i taxa che formano la maggior parte delle fioriture algali dannose (HAB), oltre a costituire fino al 50% della biomassa microbica eucariotica marina, quindi sono un importante costituente degli ecosistemi microbici acquatici [13]. La dimensione del genoma varia considerevolmente nei dinoflagellati (da ~1 Gb a >150 Gb), compresi alcuni dei genomi eucariotici più grandi conosciuti, più grandi dei genomi animali (polmone, 130 Gb) e vegetali (Paris japonica, 149 Gb) più grandi [21,22, 23,24,25]. Sembra che la duplicazione genica e l'espansione su larga scala si siano verificate tra i genomi dei dinoflagellati e i geni codificanti sono spesso presenti in più ripetizioni in tandem [26,27,28,29,30]. I genomi delle specie coralline simbionti (Dinophyceae: Symbiodinaceae) mostrano un'evoluzione altamente dinamica, guidata dall'espansione della famiglia genetica tramite duplicazione in tandem [28, 29] e retroposizione [31, 32]. Notevoli variazioni nelle dimensioni del genoma e genomi molto grandi si verificano in più ordini dinoflagellati planctonici [33], così come in altri gruppi di eucarioti microbici marini come foraminiferi, ciliati e amoebozoi [33]. I GCN dei geni rRNA in gran parte della vita eucariotica sono considerati ampiamente correlati alla dimensione del genoma [18]. Dimensioni del genoma così grandi e dinamiche suggeriscono che in questi taxa potrebbe esistere un CNV sostanziale.