属、種、個体群レベルでのゲノムコピー数の変動は、渦鞭毛藻や有害な藻類の現場生態分析に影響を与える

ISME Communications volume 3、記事番号: 70 (2023) この記事を引用

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メタバーコーディング、qPCR、およびメタゲノミクスを水生真核微生物群集に適用するには、ゲノムコピー数変動 (CNV) の知識が必要です。 CNV は機能遺伝子に特に関連しており、投与量と発現に影響を与える可能性がありますが、微生物真核生物における CNV の規模と役割についてはほとんど知られていません。 ここでは、アレキサンドリウム (恐竜科) 4 種の 51 株において、rRNA と麻痺性貝毒 (PST) 合成に関与する遺伝子 (sxtA4) の CNV を定量します。 ゲノムは種内で最大 3 倍、種間で約 7 倍変化しており、真核生物の中で最大サイズのカテゴリーに入る最大のもの (A. pacificum、130 ± 1.3 pg cell-1 / ～ 127 Gbp) がありました。 rRNA のゲノム コピー数 (GCN) は、Alexandrium 間で 6 桁異なり (細胞 1 あたり 102 ～ 108 コピー)、ゲノム サイズと有意に関連していました。 集団内の rRNA の CNV は、1 つの集団から分離された 15 株で 2 桁 (105 – 107 cell-1) であり、局所的に分離された株に対して検証されたとしても、rRNA 遺伝子に基づく定量データの解釈にはかなりの注意が必要であることが示されています。 最長 30 年間の実験室培養にもかかわらず、rRNA CNV とゲノムサイズの変動は培養時間と相関しませんでした。 細胞体積は rRNA GCN とわずかに関連していました (渦鞭毛藻間で 20 ～ 22% の分散が説明され、ゴンヤウラ目では 4%)。 sxtA4 の GCN は 0 ～ 102 コピー cell-1 の範囲で変化し、PST (ng cell-1) と有意に関連しており、PST 産生を調節する遺伝子量効果を示しました。 私たちのデータは、主要な海洋真核生物グループである渦鞭毛藻では、低コピーの機能遺伝子が、不安定なrRNA遺伝子よりも生態学的プロセスの定量化においてより信頼性が高く有益な標的であることを示しています。

ゲノムコピー数変異 (CNV) は、真核生物、細菌、古細菌のゲノムでますます文書化されており [1,2,3,4,5]、種内および集団レベルの遺伝的変異の主要な原因となっています。 表現型形質発現に対する CNV の影響は、顕花植物、脊椎動物、酵母、および多くのモデル生物を含む人間の健康研究において特徴付けられています [1、2、3、4、5]。 真核生物の CNV は発現量と投与量の増加につながり、選択的利点が得られる可能性があります [1、3、5、6、7]。 その潜在的な重要性にもかかわらず、海洋微生物真核生物を含むほとんどの非モデル生物における CNV の規模と役割はほとんど理解されていません。

CNV は海洋微生物の真核生物で報告されており [8、9、10、11、12、13]、いくつかの研究では rRNA 遺伝子のコピー数または配列が異なる可能性があることが示されている [14、15]。 CNV は、メタバーコーディング、メタゲノミクス、qPCR を使用した定量的分子生態学的研究に大きな影響を与えます [10]。 海洋原生生物の定量的分子生態研究では、一般に、参照データベースの rRNA 遺伝子の広範な網羅性、分類群を解決する能力、および真核生物の高いゲノム コピー数 (GCN) (>102) により、群集構造解析に rRNA オペロンの領域が使用されます。 cell-1) は検出感度を高めます [9,10,11,12]。 しかし、動物、菌類、植物では、rRNA 遺伝子のコピーは 102 ～ 104 コピー cell-1 [9, 10, 16,17,18] とばらつきがあり、同様の範囲 (103 ～ 104 コピー cell-1) で存在します。珪藻 (ストラメノパイル) [19]。 微生物の真核生物の他のグループは、繊毛虫 (アルベオラータ) [11] ではセル 1 のコピーが 103 ～ 105 コピー、有孔虫 (リザリア) [12] では 102 ～ 105 コピーと、より大きなばらつきを示す可能性があります。 微生物の真核生物のほとんどの種内では、rRNA 遺伝子のコピー数はより安定していると考えられています [19、20]。しかし、これを調査した研究は比較的少数です [11、12、19]。

渦鞭毛藻は、最も有害な藻類ブルーム (HAB) 形成分類群を網羅し、海洋微生物真核生物バイオマスの最大 50% を構成するため、水生微生物生態系の主要構成要素となっています [13]。 ゲノムサイズは、最大の動物（ハイギョ、130 Gb）や植物（パリジャポニカ、149 Gb）のゲノムよりも大きい、既知の最大の真核生物ゲノムのいくつかを含む渦鞭毛藻類（約 1 Gb から >150 Gb）で大きく異なります [21、22、 23、24、25]。 遺伝子の重複と大規模な拡大は渦鞭毛藻のゲノム間で起こっているようで、コーディング遺伝子は複数のタンデムリピートで存在することが多い[26、27、28、29、30]。 サンゴ共生種 (恐竜藻類: Symbiodinaceae) のゲノムは、タンデム重複 [28, 29] と逆位置 [31, 32] の両方を介した遺伝子ファミリーの拡大によって推進され、非常に動的な進化を示します。 かなりのゲノム サイズの変動と非常に大きなゲノムは、複数の浮遊性渦鞭毛藻目 [33] だけでなく、有孔虫、繊毛虫、アメーボゾアなどの海洋微生物真核生物の他のグループでも発生します [33]。 真核生物のほとんどにおける rRNA 遺伝子の GCN は、ゲノムサイズと広く相関していると考えられています [18]。 このように大きく動的なゲノムサイズは、これらの分類群に相当量の CNV が存在する可能性を示唆しています。