進化する堆肥群集における移動要素を特定して追跡することで、ナノバイオームに関する洞察が得られます

ISME Communications volume 3、記事番号: 90 (2023) この記事を引用

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微生物の進化は、水平遺伝子伝達 (HGT) によって媒介される遺伝子内容の急速な変化によって引き起こされます。可動性遺伝要素 (MGE) は遺伝子流動の重要な推進力ですが、微生物宿主に依存するダーウィンの複製子の動物園であるナノバイオームの特徴はまだ十分に解明されていません。個々の集団を形成する MGE を超えて、MGE が複雑な微生物群集に及ぼす影響についての理解を高めるには、新しいアプローチが必要です。バイオインフォマティックパイプライン (xenoseq) は、MGE の普及を特定することを目的として、並行して進化する微生物コンソーシアムからのメタゲノムサンプルを相互比較するために開発されました。これは、MGE の定期的な混合が行われた堆肥コミュニティに適用されました。我々は、xenoseq が MGE の移動を群集構成の人口動態変化から区別できることを示し、そうでなければ識別が困難になることを示し、さらにさまざまな予期せぬ実体の発見を実証します。特に興味深いのは、候補放射門 (CPR) のナノバクテリアで、これは地下水生態系で確認されている種 (Candidatus Saccharibacterium) と密接に関連しており、寄生的な生活様式を持っていると思われます。また、別の多量の可動要素である Cellvibrio 系統によってホストされる 313 kb プラスミドにも焦点を当てます。宿主は窒素固定ができると予測されており、プラスミドの獲得はアンモニア生成の増加と同時に起こります。総合すると、私たちのデータは、メタゲノムデータのバイオインフォマティクス分析と組み合わせた新しい実験戦略が、微生物群集の進化の推進力としてのナノバイオームについての洞察を提供する立場にあることを示しています。

水平遺伝子伝達 (HGT) は、微生物の進化的運命に顕著な影響を与える可能性があります [1、2、3]。細菌が環境 DNA を直接取り込む形質転換のほかに、遺伝物質の水平移動はすべて、独自のダイナミクスを持つダーウィン的実体である可動遺伝要素 (MGE) によって触媒されます。前世紀には、明らかに寄生性のバクテリオファージ [5、6、7、8、9] やトランスポゾン [10、11、12] からプラスミド [13、14、15]、そして組み込み型のバクテリオファージ [10、11、12] に至るまで、多数の MGE が観察されています。および結合要素 (ICE) [16,17,18,19]。最近では、REPIN [20, 21]、Starships [22]、Borgs [23] などの新しい可動要素が微生物界全体で発見されており、真菌の染色体全体でさえも移動しているようです [24,25] ,26]。

MGE とホストの関係は複雑で、常に変化しており、コンテキストに大きく依存します。たとえば、接合要素は通常良性ですが、宿主を犠牲にして自己生存を促進することもあります[19、27]。同様に、バクテリオファージは通常、捕食性または寄生性ですが、宿主に利益をもたらすために利用することもできます [5、28、29、30]。さらに、MGE は互いに再結合したり、他の可動要素に寄生したりする可能性があります [31、32、33、34、35]。総合すると、これらのプロセスは、局所的に適応した種ではなく、局所的に適応する遺伝子の集合体としての微生物群集を理解するための基礎となる可能性があります [36、37]。 MGE を介した微生物群集を通る DNA 流動の範囲と規模は現在ほとんど理解されていませんが、最近の研究では、この流動が集団内の性と同様の効果をもたらす群集レベルのプロセスを定義し推進するという点でさえ非常に重要である可能性があることが示唆されています。 38、39]。

MGE は、自己複製と伝達に必要な遺伝子を移動させることに加えて、それらが結合する宿主遺伝子の伝達を媒介することがよくあります。意図的か偶然かにかかわらず、宿主の適応度を高める遺伝子を獲得した MGE は、広く普及している捕獲された遺伝子による選択によって急速に増幅される可能性があります。場合によっては、その効果が非常に結果的なものになることもあり、たとえば、根粒形成と窒素固定のための遺伝子を運ぶICEの移動により、非共生根粒菌が単一ステップで植物共生植物に変換されます[40、41]。 ICE は、抗菌剤耐性 [42、43] および重金属耐性遺伝子 [18] の動きを観察することによっても特定されています。しかし、そのような発見へのルートは、病巣微生物を培養する能力と選択可能な表現型形質の保持の両方に依存します。

10 kb in length./p>106 reads), c a putative viral sequence exclusively predicted by seeker, d a sequence reported to be both phage and plasmid by all relevant MGE tools, e a large plasmid that successfully establishes in four communities, f a putative chromosomal region flanked by a transposable element, and g a sequence not predicted to be an MGE, but annotated by CAT as being Candidatus Saccharibacterium. For all panels, abundances (y axes, average read coverage) are shown across communities over all time points (x axes). Abundance in horizontal communities is shown in blue, whereas abundance in vertical communities is shown on the opposing axes in in orange. Communities in which sequence are unique to the horizontal regime are shown in bold. Communities in which the contig was not observed are omitted for clarity. The full interactive data set is available as Supplementary Material./p>