Genomic and functional diversity of bacteria belonging to the Thiomonas genus and isolated from the acid mine drainage of Carnoulès (Gard, France)
Diversité génomique et fonctionnelle de bactéries du genre Thiomonas isolées du drainage minier acide de Carnoulès (Gard)
Résumé
Understanding the link between diversity and adaptation in natural bacterial populations represents an important issue in microbial ecology. The amount of whole genome sequencing data currently available has allowed for interesting advances in this field. Several strains from the genus Thiomonas belonging to the species, Tm. arsenitoxydans (3As) and Tm. spp. (CB1, CB2, CB3 and CB6), were isolated from the acid mine drainage (AMD) at Carnoulès (Gard, France). Comparison among genomes allowed for a better definition of their phylogenetic relationships and highlighted differences in genetic content, which is essentially due to the presence of genomic islands. Some of these differences were experimentally correlated with functional traits concerning arsenite oxidation, urea degradation, and biofilm biosynthesis, and are potentially beneficial in situ (leading to an enhanced resistance to arsenite (As(III)), metal precipitation, and an increase in pH, ultimately protecting cells). The comparison of genome synteny of Tm. arsenitoxydans 3As, Tm. sp CB2, and Tm. intermedia K12 (not isolated from this AMD) show several important genomic rearrangements exist in Tm. sp CB2. This type of rearrangements could be involved in the emergence of arsenite "super-resistant" variants in the Tm. sp CB2 population. In particular, several copies of an integrative and conjugative element (ICE) containing the aioBA operon coding arsenite oxidase were detected in the genomes of two variants, which could explain their higher levels of resistance to As(III). The percentage of variants in biofilm culture is higher when grown in the presence of As(III), and transcriptomic data suggests that genomic rearrangements probably occurred through DNA repair systems following damage caused by As(III) induced oxidative stress. Therefore, biofilm development and As(III) appear to allow for the adaptation of Tm. sp. CB2 genome flexibility and evolutionary potential. These data suggest that CB2 and Tm. sp. CB3 have more flexible genomes than the other strains. Tm. arsenitoxydans 3As and Tm. spp. CB1 and CB6 form both a phylogenetic and functional cluster ("3As group") suggesting that they occupy a specific ecological niche and therefore could represent an ecotype of the genus Thiomonas. The Thiomonas population from the Carnoulès AMD might therefore consist of at least one stable ecotype as well as other strains with more instable genomes, whose higher adaptive potential could be affected by As(III) and biofilm development.
Les liens entre la diversité et l'adaptation des populations bactériennes à leur environnement constituent une problématique importante en écologie microbienne. L'accès à de nombreux génomes permet aujourd'hui des avancées intéressantes dans ce domaine. Plusieurs souches du genre Thiomonas et appartenant à la même espèce, Tm. arsenitoxydans 3As et Tm. spp. CB1, CB2, CB3 et CB6, ont été isolées d'un drainage minier acide (DMA) à Carnoulès (Gard). La comparaison de leur génome a permis d'affiner leur phylogénie et de mettre au jour des différences de contenu génétique liées à des îlots génomiques. Certaines de ces différences ont été corrélées expérimentalement avec des différences fonctionnelles concernant l'oxydation de l'arsénite (As(III)), la dégradation de l'urée et la biosynthèse de biofilm, et confèrent potentiellement un avantage sur le site (meilleure résistance à l'As(III), précipitation des métaux et augmentation du pH, protection des cellules). La comparaison de la synténie des génomes de Tm. arsenitoxydans 3As avec Tm. sp CB2 et Tm. intermedia K12 (non isolée de ce DMA) a montré que le génome de Tm. sp. CB2 a subi plusieurs remaniements importants. Ces types de réarrangements pourraient être en partie à l'origine de l'apparition de variants "super-résistants" à l'As(III) dans la population. En particulier, plusieurs copies d'un élément intégratif et conjugatif portant l'opéron aioBA codant l'arsénite oxydase ont été détectées chez deux variants, ce qui pourrait en partie expliquer leur résistance accrue à l'As(III). La proportion de variants est plus importante en présence d'As(III) au sein des biofilms, et des données de transcriptomique ont en effet montré que ces remaniements seraient en partie causés par des systèmes de réparation de l'ADN suite à des dommages liés au stress oxydant induit par l'As(III). Le développement en biofilm et la présence d'As(III) modulerait donc la flexibilité génomique et le potentiel adaptatif de Tm. sp. CB2. Ces données suggèrent que cette souche, avec Tm. sp. CB3, possèdent un génome visiblement plus flexible que les autres. Les souches Tm. arsenitoxydans 3As et Tm. spp. CB1 et CB6, contrairement à Tm. spp. CB2 et CB3, forment un groupe distinct d'un point de vue phylogénétique et fonctionnel ("groupe 3As"), suggérant qu'elles occupent une niche écologique spécifique et pourraient constituer un écotype. La population de Thiomonas de ce DMA serait donc composée d'au moins un écotype stable et de souches au génome plus instable, dont le potentiel adaptatif plus important serait influencé par l'As(III) et le développement en biofilm.
Origine : Version validée par le jury (STAR)