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May 09, 2024

A variabilidade do número de cópias genômicas nos níveis de gênero, espécie e população impacta análises ecológicas in situ de dinoflagelados e proliferação de algas nocivas

ISME Communications volume 3, número do artigo: 70 (2023) Cite este artigo 768 Acessos 1 Detalhes da Altmetric Metrics A aplicação de meta-código de barras, qPCR e metagenômica a eucarióticos aquáticos

ISME Communications volume 3, Artigo número: 70 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A aplicação de meta-código de barras, qPCR e metagenômica a comunidades microbianas eucarióticas aquáticas requer conhecimento da variabilidade do número de cópias genômicas (CNV). A CNV pode ser particularmente relevante para genes funcionais, impactando a dosagem e a expressão, mas pouco se sabe sobre a escala e o papel da CNV em eucariotos microbianos. Aqui, quantificamos CNV de rRNA e um gene envolvido na síntese da Toxina Paralítica de Marisco (PST) (sxtA4), em 51 cepas de 4 espécies de Alexandrium (Dinophyceae). Os genomas variaram até três vezes dentro das espécies e ~7 vezes entre as espécies, com o maior (A. pacificum, 130 ± 1,3 pg célula-1 /~127 Gbp) na maior categoria de tamanho de qualquer eucarioto. Os números de cópias genômicas (GCN) do rRNA variaram em 6 ordens de grandeza entre Alexandrium (102-108 cópias célula-1) e foram significativamente relacionados ao tamanho do genoma. Dentro da população, o CNV de rRNA foi de 2 ordens de grandeza (105 - 107 células-1) em 15 isolados de uma população, demonstrando que os dados quantitativos baseados em genes de rRNA necessitam de considerável cautela na interpretação, mesmo que validados contra cepas isoladas localmente. Apesar de até 30 anos em cultura laboratorial, o rRNA CNV e a variabilidade do tamanho do genoma não foram correlacionados com o tempo em cultura. O volume celular foi apenas fracamente associado ao rRNA GCN (variância de 20-22% explicada entre dinoflagelados, 4% em Gonyaulacales). GCN de sxtA4 variou de 0 a 102 cópias célula-1, foi significativamente relacionado a PSTs (ng célula-1), exibindo um efeito de dosagem genética modulando a produção de PST. Nossos dados indicam que em dinoflagelados, um importante grupo eucariótico marinho, genes funcionais de baixa cópia são alvos mais confiáveis ​​e informativos para quantificação de processos ecológicos do que genes de rRNA instáveis.

A variação do número de cópias genômicas (CNV) é cada vez mais documentada em genomas eucarióticos, bacterianos e arqueais [1,2,3,4,5] e representa uma importante fonte de variação genética intraespecífica e em nível populacional. O impacto da CNV na expressão de características fenotípicas foi caracterizado em plantas com flores, vertebrados, leveduras e pesquisas em saúde humana, incluindo muitos organismos modelo [1,2,3,4,5]. As CNVs de eucariotos podem levar ao aumento da expressão e dosagem, proporcionando uma potencial vantagem seletiva [1, 3, 5,6,7]. Apesar da sua importância potencial, a escala e o papel da CNV na maioria dos organismos não-modelo, incluindo eucariotas microbianos marinhos, são pouco compreendidos.

Embora a CNV tenha sido relatada em eucariotos microbianos marinhos [8,9,10,11,12,13] e alguns estudos tenham indicado que os genes de rRNA podem variar em número de cópias ou sequências [14, 15], ainda não está relativamente claro se A CNV tem um impacto significativo em estudos ecológicos moleculares quantitativos empregando meta-código de barras, meta-genômica e qPCR [10]. Estudos quantitativos de ecologia molecular de protistas marinhos geralmente usam regiões do operon rRNA para análises de estrutura comunitária devido à ampla cobertura de genes rRNA em bancos de dados de referência, à capacidade de resolver táxons e a um alto número de cópias genômicas (GCN) em eucariotos (> 102 cell-1) que auxilia na sensibilidade de detecção [9,10,11,12]. No entanto, em animais, fungos e plantas, as cópias do gene rRNA estão variavelmente presentes, de 102 a 104 cópias célula-1 [9, 10, 16,17,18], com um intervalo semelhante (103 a 104 cópias célula-1) em diatomáceas (Stramenopiles) [19]. Outros grupos de eucariotos microbianos podem apresentar maior variação, de 103 a 105 cópias célula-1 em ciliados (Alveolata) [11] e 102 a 105 em foraminíferos (Rhizaria) [12]. Na maioria das espécies de eucariotos microbianos, o número de cópias do gene rRNA é considerado mais estável [19, 20], no entanto, relativamente poucos estudos examinaram isso [11, 12, 19].

Os dinoflagelados abrangem a maioria dos táxons formadores de proliferação de algas nocivas (HAB), além de constituir até 50% da biomassa eucariótica microbiana marinha, sendo, portanto, um constituinte importante dos ecossistemas microbianos aquáticos [13]. O tamanho do genoma varia consideravelmente em dinoflagelados (~1 Gb a> 150 Gb), incluindo alguns dos maiores genomas eucarióticos conhecidos, maiores que os maiores genomas de animais (peixe pulmonado, 130 Gb) e plantas (Paris japonica, 149 Gb) [21,22, 23,24,25]. A duplicação de genes e a expansão em larga escala parecem ter ocorrido entre os genomas dos dinoflagelados, e os genes codificadores estão frequentemente presentes em múltiplas repetições em tandem [26,27,28,29,30]. Os genomas de espécies de simbiontes de coral (Dinophyceae: Symbiodinaceae) mostram uma evolução altamente dinâmica, impulsionada pela expansão da família de genes por meio de duplicação em tandem [28, 29] e retroposição [31, 32]. Variação considerável no tamanho do genoma e genomas muito grandes ocorrem em múltiplas ordens de dinoflagelados planctônicos [33], bem como em outros grupos de eucariotos microbianos marinhos, como foraminíferos, ciliados e Amoebozoa [33]. GCN de genes de rRNA em grande parte da vida eucariótica são considerados amplamente correlacionados com o tamanho do genoma [18]. Tamanhos de genoma tão grandes e dinâmicos sugerem que pode existir CNV substancial nestes táxons.