진화하는 퇴비 군집에서 이동 요소를 식별하고 추적하면 나노바이옴에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

ISME 커뮤니케이션 3권, 기사 번호: 90(2023) 이 기사 인용

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미생물의 진화는 수평적 유전자 전달(Horizontal gene transfer, HGT)에 의해 매개되는 유전자 함량의 급격한 변화에 의해 주도됩니다. 이동 유전 요소(MGE)가 유전자 흐름의 중요한 동인인 반면, 미생물 숙주에 의존하는 다윈주의적 복제자의 동물원인 나노바이옴은 아직까지 특성이 잘 알려져 있지 않습니다. 개별 개체군을 형성하는 MGE를 넘어 복잡한 미생물 군집에 미치는 영향에 대한 이해를 높이려면 새로운 접근 방식이 필요합니다. MGE를 주기적으로 혼합하는 퇴비 공동체에 적용되는 MGE 보급을 식별하는 것을 목표로 병렬로 진화하는 미생물 컨소시엄의 메타게놈 샘플을 교차 비교하기 위해 생물정보학 파이프라인(xenoseq)이 개발되었습니다. 우리는 xenoseq이 식별을 혼란스럽게 하는 커뮤니티 구성의 인구통계학적 변화와 MGE의 이동을 구별할 수 있음을 보여주고 더 나아가 다양한 예상치 못한 개체의 발견을 보여줍니다. 특히 관심을 끄는 것은 지하수 생태계에서 확인된 종(Candidatus Saccharibacterium)과 밀접하게 관련되어 있고 기생 생활 방식을 갖는 것으로 보이는 방사선 후보문(CPR)의 나노박테리움이었습니다. 우리는 또한 Cellvibrio 계통이 호스팅하는 313kb 플라스미드인 또 다른 다작 모바일 요소를 강조합니다. 숙주는 질소 고정이 가능할 것으로 예측되었으며, 플라스미드의 획득은 암모니아 생산 증가와 일치합니다. 종합하면, 우리의 데이터는 메타게놈 데이터의 생물정보학적 분석과 결합된 새로운 실험 전략이 미생물 군집 진화의 동인으로서 나노바이옴에 대한 통찰력을 제공한다는 것을 보여줍니다.

수평적 유전자 전달(Horizontal gene transfer, HGT)은 미생물의 진화적 운명에 현저한 영향을 미칠 수 있습니다[1,2,3]. 박테리아가 환경 DNA를 직접 차지하는 변형 외에도 유전 물질의 모든 수평 이동은 이동 유전 요소(MGE), 즉 다윈의 고유한 역학을 가진 실체에 의해 촉진됩니다[4]. 지난 세기에는 뚜렷한 기생성 박테리오파지[5,6,7,8,9] 및 트랜스포손[10,11,12]부터 플라스미드[13,14,15] 및 통합형에 이르기까지 다양한 MGE가 관찰되었습니다. 및 접합 요소(ICE) [16,17,18,19]. 최근에는 REPIN[20, 21], Starships[22] 및 Borgs[23]와 같은 새로운 이동 요소가 미생물 세계 전체에서 발견되고 있으며 심지어 전체 곰팡이 염색체도 이동 중인 것으로 보입니다[24,25 ,26].

MGE와 호스트 간의 관계는 복잡하고 끊임없이 변화하며 상황에 따라 크게 달라집니다. 예를 들어, 접합 요소는 일반적으로 양성이지만 숙주를 희생하여 자가 생존을 촉진할 수도 있습니다[19, 27]. 마찬가지로 박테리오파지는 일반적으로 약탈적이거나 기생적이지만 숙주에게 이익이 되도록 채택될 수 있습니다 [5, 28,29,30]. 더욱이 MGE는 서로 재결합하거나 다른 모바일 요소에 기생할 수 있습니다 [31,32,33,34,35]. 종합해 보면, 이러한 과정은 지역적으로 적응된 종보다는 지역적으로 적응하는 유전자의 집합체로서 미생물 군집을 이해하는 데 기본이 될 수 있습니다 [36, 37]. MGE를 통한 미생물 군집을 통한 DNA 흐름의 범위와 규모는 현재 잘 알려져 있지 않지만, 최근 연구에서는 플럭스가 인구 집단 내 성별과 유사한 영향을 미치는 공동체 수준 과정을 정의하고 추진하는 정도까지 매우 중요할 수 있음을 시사합니다. 38, 39].

자가 복제 및 전달에 필요한 유전자를 이동하는 것 외에도 MGE는 종종 연결된 숙주 유전자의 전달을 중재합니다. 의도적이든 우연이든, 숙주 적합성을 향상시키는 유전자를 획득한 MGE는 포획된 유전자가 널리 전파되면서 선택에 의해 빠르게 증폭될 수 있습니다. 경우에 따라 그 효과는 매우 중요할 수 있습니다. 예를 들어 결절 형성 및 질소 고정을 위한 유전자를 운반하는 ICE의 이동은 비공생성 뿌리줄기를 단일 단계로 식물 공생체로 전환시킵니다[40, 41]. ICE는 항균제 내성[42, 43]과 중금속 내성 유전자[18]의 이동을 관찰하여 확인되기도 했습니다. 그러나 이러한 발견 경로는 초점 미생물을 배양하는 능력과 선택 가능한 표현형 특성을 전달하는 능력에 따라 달라집니다.

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>