Идентификация и отслеживание мобильных элементов в развивающихся компостных сообществах дает представление о нанобиоме.

ISME Communications, том 3, номер статьи: 90 (2023 г.) Цитировать эту статью

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Эволюция микробов обусловлена ​​быстрыми изменениями в составе генов, опосредованными горизонтальным переносом генов (HGT). Хотя мобильные генетические элементы (МГЭ) являются важными движущими силами потока генов, нанобиом — зоопарк дарвиновских репликаторов, которые зависят от микробных хозяев — остается плохо изученным. Необходимы новые подходы, чтобы расширить наше понимание не только МГЭ, формирующих отдельные популяции, но и их воздействия на сложные микробные сообщества. Биоинформатический конвейер (xenoseq) был разработан для перекрестного сравнения метагеномных образцов из микробных консорциумов, развивающихся параллельно, с целью выявления распространения MGE, который был применен к компостным сообществам, которые подвергались периодическому смешиванию MGE. Мы показываем, что xenoseq может отличать перемещение MGE от демографических изменений в составе сообщества, которые в противном случае затрудняют идентификацию, и, кроме того, демонстрируют обнаружение различных неожиданных объектов. Особый интерес вызвала нанобактерия кандидатного типа радиации (CPR), которая тесно связана с видом, выявленным в экосистемах подземных вод (Candidatus Saccharibacterium), и, по-видимому, ведет паразитический образ жизни. Мы также выделяем еще один плодовитый мобильный элемент, плазмиду размером 313 т.п.н., принадлежащую линии Cellvibrio. Было предсказано, что хозяин способен к фиксации азота, и приобретение плазмиды совпадает с увеличением производства аммиака. В совокупности наши данные показывают, что новые экспериментальные стратегии в сочетании с биоинформатическим анализом метагеномных данных позволяют понять нанобиом как движущую силу эволюции микробного сообщества.

Горизонтальный перенос генов (HGT) может заметно повлиять на эволюционную судьбу микробов [1,2,3]. Помимо трансформации, при которой бактерии напрямую поглощают ДНК из окружающей среды, все горизонтальное движение генетического материала катализируется мобильными генетическими элементами (МГЭ), дарвиновскими сущностями, имеющими собственную динамику [4]. В прошлом столетии наблюдалось множество MGE: от явно паразитических бактериофагов [5,6,7,8,9] и транспозонов [10,11,12] до плазмид [13,14,15] и интегративных и конъюгативные элементы (ICE) [16,17,18,19]. Совсем недавно во всем микробном мире обнаруживаются новые мобильные элементы, такие как REPIN [20, 21], звездолеты [22] и борги [23], и даже целые хромосомы грибов, по-видимому, находятся в движении [24,25]. ,26].

Отношения между MGE и хостами сложны, постоянно меняются и сильно зависят от контекста. Например, хотя конъюгативные элементы обычно доброкачественны, они также могут способствовать самовыживанию за счет хозяев [19, 27]. Аналогичным образом, хотя бактериофаги обычно являются хищными или паразитическими, их можно использовать на благо хозяев [5, 28,29,30]. Более того, МГЭ могут рекомбинировать друг с другом или паразитировать на других мобильных элементах [31,32,33,34,35]. В совокупности эти процессы могут иметь фундаментальное значение для нашего понимания микробных сообществ как совокупности локально адаптивных генов, а не как локально адаптированных видов [36, 37]. Хотя объем и масштаб потока ДНК через микробные сообщества через MGE в настоящее время плохо изучены, недавние исследования показывают, что этот поток может быть весьма значительным даже в той степени, в которой он определяет и управляет процессом на уровне сообщества с эффектами, подобными сексу внутри популяций. 38, 39].

Помимо перемещения генов, необходимых для саморепликации и передачи, MGE часто опосредуют перенос генов-хозяев, с которыми они связываются. Будь то намеренно или случайно, MGE, которые приобретают гены, улучшающие приспособленность хозяина, будут быстро амплифицированы путем отбора, а захваченные гены будут широко распространены. Иногда эффекты могут иметь весьма серьезные последствия, например, перемещение ICE, несущих гены клубеньков и фиксации азота, превращает несимбиотические ризобии в растительные симбионты за один этап [40, 41]. ICE также были идентифицированы путем наблюдения за движением генов устойчивости к противомикробным препаратам [42, 43] и устойчивости к тяжелым металлам [18]. Однако такие пути открытия зависят как от способности культивировать очаговые микробы, так и от наличия селектируемых фенотипических признаков.