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ISME Communications volume 3, Numéro d'article : 57 (2023) Citer cet article

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Les cyanobactéries sont des bactéries photosynthétiques oxygéniques qui assurent une part substantielle de la production primaire mondiale. Certaines espèces sont responsables d'événements environnementaux catastrophiques, appelés blooms, qui sont devenus de plus en plus fréquents dans les lacs et les masses d'eau douce à la suite des changements globaux. La diversité génotypique est considérée comme essentielle pour la population de cyanobactéries marines, lui permettant de faire face aux variations environnementales spatio-temporelles et de s'adapter à des micro-niches spécifiques de l'écosystème. Cet aspect est cependant sous-estimé dans l'étude du développement de la floraison et peu pris en compte dans les études sur l'écologie des cyanobactéries nuisibles. Ici, nous avons comparé les génomes de quatre souches d'Aphanizomenon gracile, une espèce de cyanobactérie toxinogène filamenteuse (Nostocales) présente dans le monde entier dans les eaux douces et saumâtres. Des fascicules de taille millimétrique ont été isolés d'un seul échantillon d'eau et sont maintenus en culture depuis 2010. Une étude comparative a révélé une grande hétérogénéité dans le contenu des gènes, malgré une taille de génome similaire et des indices de similarité élevés. Ces variations étaient principalement associées à des éléments génétiques mobiles et à des grappes de gènes biosynthétiques. Pour certains de ces derniers, l'analyse métabolomique a confirmé la production de métabolites secondaires apparentés, tels que les cyanotoxines et les caroténoïdes, dont on pense qu'ils jouent un rôle fondamental dans l'aptitude des cyanobactéries. Dans l'ensemble, ces résultats ont démontré qu'une prolifération d'A. gracile pouvait être une population très diversifiée à faible échelle spatiale et ont soulevé des questions sur les échanges potentiels de métabolites essentiels entre les individus.

Le succès écologique des cyanobactéries est en partie le résultat de la diversité intra-spécifique des écotypes [1,2,3], groupes d'individus partageant des optimums de croissance proches pour des facteurs environnementaux tels que la température et l'intensité lumineuse, qui permettent à la population de faire face aux changements spatio-temporels. variations de leur habitat. Les inférences phylogénétiques basées sur des gènes uniques (par exemple, espaceur transcrit interne, ITS) ou multiples permettent de regrouper ces membres de l'écotype au sein d'un clade, suggérant la sélection pour les capacités d'adaptation. En termes de contenu génétique, cependant, les écotypes peuvent également présenter des divergences significatives les uns par rapport aux autres. Par exemple, les ensembles de gènes impliqués dans l'assimilation du phosphore, un facteur abiotique essentiel pour la croissance des cyanobactéries, divergent entre les écotypes des écosystèmes aquatiques riches en P ou limités en P [4,5,6]. Pour les espèces de cyanobactéries bien étudiées Prochlorochoccus marinus (Synechococcales) et Microcystis aeruginosa (Chroococcales), un seul écotype peut également contenir de nombreuses souches avec des génotypes distincts. Cette soi-disant microdiversité repose principalement chez ces espèces sur une grande plasticité génomique [7], entraînée en partie par des éléments génétiques mobiles [7,8,9] et est supposée être impliquée dans l'adaptation des individus à des micro-niches spécifiques [10] .

Aphanizomenon gracile est une cyanobactérie filamenteuse fixatrice d'azote capable de former des fascicules et responsable d'efflorescences toxiques dans les écosystèmes aquatiques d'eau douce et saumâtre. Il appartient à l'ordre des Nostocales pour lequel aucune donnée n'est disponible sur la diversité génétique intra-populationnelle. Dans cette étude, nous avons séquencé les génomes de quatre souches d'A. gracile isolées à partir d'un seul échantillon d'eau pour interroger la diversité intra-population à faible échelle spatiale.

Nous avons séquencé et assemblé les génomes de quatre souches d'A. gracile (PMC627.10, PMC638.10, PMC644.10 et PMC649.10) d'abord isolées à partir d'un seul échantillon d'eau et maintenues en monoculture (voir Méthodes supplémentaires). Les génomes obtenus présentaient une complétude presque parfaite (de 99,18 % pour PMC649.10 à 100 % pour PMC638.10), mais étaient composés de nombreuses séquences, entre 65 (PMC627.10) et 238 (PMC644.10), en raison d'une grand nombre de séquences répétées. Les quatre génomes étaient très similaires en taille (5,40 ± 0,03 Mb), en teneur en GC (38,35 ± 0,05 %) et en nombre d'ARNt (de 40 à 42) (Tableau 1). Chaque souche partageait avec les autres une similarité de séquence minimale de 99,86 % avec le gène codant pour l'ARNr 16S, tandis que les séquences ITS étaient toutes identiques (Fig. S1). Au niveau du génome entier, la proximité entre les souches était soutenue par l'ANI par paires (Average Nucleotide Identity, Tableau 1) avec des valeurs ≥ 99,12 %. Un tel niveau de similitude conduit généralement à la conclusion que les organismes apparentés appartiennent à la même unité taxonomique opérationnelle et par extension au même écotype que la pico-cyanobactérie marine unicellulaire phylogénétiquement éloignée, Prochlorococcus marinus, dans laquelle la microdiversité a été étudiée en profondeur [11] . En l'absence de données physiologiques confirmant les écotypes des souches d'A. gracile, ces résultats permettent d'interpréter la variabilité interne des souches d'A. gracile dans un contexte de microdiversité.

Malgré l'absence de différences évidentes entre les marqueurs génétiques, la génomique comparative a révélé des divergences entre les souches. Une représentation frappante en est donnée par le faible indice de synténie de 77,01 ± 1,31 %, similaire à ceux rapportés parmi 12 souches de Microcystis aeruginosa prélevées dans des lieux géographiques éloignés (76 ± 4 %) [7]. Comme illustré pour PMC627.10, les variations de l'indice de synténie le long du génome étaient significativement associées à la distribution de fréquence des COG (test du chi carré de Pearson, p < 2,2e−16), ce qui signifie que la faible synténie était due à la présence ou à l'absence des gènes spécifiques à la souche plutôt que des réarrangements intra-génomiques (Fig. 1a). Au total, parmi les 5911 COG prédits dans tous les génomes (4972 ± 28 par souche ; Tableau 1), le génome central n'était représenté que par 67,97 % d'entre eux (4018) (Fig. 1b). La fraction de gènes accessoires était constituée de près de la moitié (48,54 %) de singletons, c'est-à-dire de gènes spécifiques à la souche (entre 192 et 305 par génome). Cette dernière fraction était significativement enrichie en gènes codant pour les systèmes de défense procaryotes et les transposases. Ces sous-catégories de « Réplication, Recombinaison et Réparation » (COG catégorie L) ainsi que les Orphelins (test t H0 : pas de différence, p < 0,01) sont habituellement considérés comme des marqueurs d'éléments génétiques mobiles, ici potentiellement impliqués dans la plasticité génomique chez Aphanizomenon. Remarquablement, les COG liés à la biosynthèse des métabolites secondaires (COG catégorie Q) étaient également enrichis en fractions accessoires (Fig. 1c).

a Représentation du génome de PMC627.10 A. gracile affichant du cercle intérieur au cercle extérieur : (i) la séquence d'ADN codante (CDS) sur les deux brins avec des groupes de gènes biosynthétiques (BGC) en noir, (ii) fréquence (%) des groupes de gènes orthologues (COG) associés au CDS dans les quatre génomes d' A. gracile , (iii) l'indice de synténie et (iv) les plus grands échafaudages assemblés (> 10 kb) représentant> 99% du génome. b Diagramme de Venn de la distribution des COG et des singletons avec des étiquettes blanches. c Pourcentage de catégories fonctionnelles COG avec des différences significatives (test t de Student avec p < 0,01) entre les ensembles de gènes de base (blanc) et flexibles (rouge), y compris un accent sur la catégorie COG « Réplication, recombinaison et réparation » (L). Catégories COG : B-"Structure/dynamique de la chromatine", C-"Production/conversion d'énergie", E-"Métabolisme/transport des acides aminés", F-"Métabolisme/transport des nucléotides", G-"Métabolisme/transport des glucides", H -"Métabolisme des coenzymes", I-"Métabolisme des lipides", J-"Traduction", O-"Modification post-traductionnelle/renouvellement des protéines/fonctions chaperonnes", P-"Transport des ions inorganiques/métabolisme", Q-"Métabolisme secondaire" , et S-"Fonction inconnue". d Présence ou absence de BGC (COG catégorie Q) parmi les souches d'A. gracile et les taxons fermés de Nostocales rassemblés par types de BGC ("-", produit non caractérisé). Les cercles pleins indiquent les BGC dont les produits ont été formellement identifiés par spectrométrie de masse. Gauche : Arbre phylogénomique (voir Méthodes supplémentaires et Tableau S1 pour la liste des gènes utilisés). Droite : histogramme affichant le nombre de BGC par souche colorée par type de BGC. NRPS/PKS non-ribosomal peptide synthetase/polyketide synthetase, RiPP synthétisés par ribosomes, peptides modifiés après la traduction, terpènes et autres (non caractérisés). Les listes de BGC et d'analytes détectés dans chaque souche se trouvent respectivement dans les tableaux supplémentaires S2 et S3.

L'étude des groupes de gènes biosynthétiques (BGC) du métabolite secondaire d'A. gracile a révélé que leurs répertoires étaient uniques à chaque souche d'A. gracile, avec seulement 8 BGC communs à toutes les souches sur un total de 22 BGC distincts caractérisés dans ces génomes (Fig. 1d). Bien que variable, la composition de cet ensemble de BGC semblait être associée au clade dans l'arbre Nostocales, car le nombre de BGC en commun avec les génomes d' A. gracile diminuait avec l'augmentation de la distance de leur clade dans l'arbre phylogénétique. Les BGC accessoires étaient notamment impliquées dans la production de caroténoïdes et de shinorines, tous deux impliqués dans plusieurs processus adaptatifs dont la photoprotection [12, 13], et de cyanotoxines (ex. puwainaphycines et saxitoxines), dont la production dans les cultures associées a été confirmée par spectrométrie de masse à haute résolution. (Fig. S2, Tableau S3). Bien que mal caractérisées, on pense que les cyanotoxines jouent un rôle clé dans l'adaptation, compte tenu du coût élevé de la maintenance des BGC dans les génomes et des besoins en ressources pour leur production. Par exemple, les saxitoxines, qui n'ont été synthétisées dans notre étude que par les souches PMC 627.10 et PMC 638.10 à partir de leur BGC de 26,5 kb de long, sont présumées réguler l'homéostasie du Na+ et se sont avérées être activement exportées de manière extracellulaire dans des conditions de stress de salinité [14] .

Enfin, le groupe de gènes accessoires avec des annotations fonctionnelles résolutives au niveau du nom du gène, a révélé des divergences potentielles dans des voies métaboliques importantes, telles que le métabolisme du soufre et la régulation de la photosynthèse, bien qu'ils n'appartiennent pas aux catégories COG enrichies dans la fraction flexible (Supplementary Résultats et tableau S4).

Après dix ans de culture, la dérive génétique pourrait être responsable dans une certaine mesure de la diversité génomique observée entre les souches (eg, [15]). Cependant, comme le nombre de protéines dans le pangénome est beaucoup plus élevé que celui des souches individuelles d'A. gracile, qui est limité par la taille de leur génome, cette diversité reflète probablement une véritable diversité génomique dans la population naturelle, comme cela a déjà été observé au niveau de gènes marqueurs individuels, tels que sxtA [16]. Nos résultats conduisent à la conclusion que la micro-diversité intra-population pourrait être une caractéristique largement partagée au sein du phylum des cyanobactéries. D'une part, la présence de gènes accessoires liés à la régulation de la photosynthèse et du métabolisme du soufre implique que de nombreuses souches aux capacités d'adaptation diverses peuvent prospérer jusqu'au développement de la floraison et coexister à faible échelle spatiale. D'autre part, la variabilité inter-souches dans la production de métabolites secondaires essentiels pour lesquels les gènes biosynthétiques sont particulièrement enrichis en fraction de gènes accessoires, suggère que certaines de ces molécules pourraient être partagées avec les cyanobactéries environnantes par les souches productrices, permettant à la population de bénéficier de leurs fonctions adaptatives tout en limitant les besoins en ressources des individus. Ainsi, l'évaluation de l'étendue de la biodiversité au sein d'une population de cyanobactéries en floraison pourrait être une pierre angulaire pour l'établissement d'un cadre théorique holistique de la dynamique des proliférations de cyanobactéries toxinogènes.

Les souches PMC sont disponibles sur demande (https://mcam.mnhn.fr/en/cyanobacteria-and-live-microalgae-1281). Les lectures brutes ont été déposées dans la base de données GENBANK Sequence Read Archive (SRA) sous le BioProject PRJNA693796 ainsi que les assemblages du génome A. gracile (JAQSYX000000000, JAQSYY000000000, JAQSYZ000000000, JAQSZA000000000).

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SH tient à remercier Claude Yéprémian, pour avoir partagé ses connaissances approfondies sur les cyanobactéries. Les auteurs remercient les "Collections de cyanobactéries et de microalgues eucaryotes" et le "Plateau technique de Spectrométrie de Masse Bio-organique" (UMR 7245 MCAM) du MNHN, Paris, France.

Ce travail a été soutenu par la bourse ATM "ECOL-Cyanomique" du département AVIV du MNHN, Paris. SKT a été financé par une subvention ATER du MNHN.

Muséum National d’Histoire Naturelle, CNRS, UMR7245 Mécanismes de Communication et Adaptation des Micro-organismes, 12 rue Buffon, 75005, Paris, France

Sébastien Halary, Sébastien Duperron, Sandra Kim Tiam, Charlotte Duval, Cécile Bernard & Benjamin Marie

UMR5557 Laboratoire d’Ecologie Microbienne, Université de Lyon, 43 bd du 11 novembre 1918, Villeurbanne, F-69622, Lyon, France

Sandra Kim Tiam

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BM et SH ont conçu cette étude. CD a conduit la culture de la biomasse et l'extraction de l'ADN. SH a fait de la bioinformatique. SKT et BM ont effectué une métabolomique. SH, BM, SD et CB ont analysé les résultats. SH a rédigé l'article avec les contributions de tous les co-auteurs.

Correspondance à Sébastien Halary.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Halary, S., Duperron, S., Kim Tiam, S. et al. Diversité génomique intra-populationnelle de la cyanobactérie formatrice de fleurs, Aphanizomenon gracile, à faible échelle spatiale. ISME COMMUN. 3, 57 (2023). https://doi.org/10.1038/s43705-023-00263-3

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Reçu : 23 novembre 2022

Révisé : 09 mai 2023

Accepté : 24 mai 2023

Publié: 07 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s43705-023-00263-3

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