Variabilita genomu v evoluci mikroorganismů

Mgr. Aleksandar STANOJKOVIĆ

Disertační práce

Cyanobacteria: Painting the speciation continuum

Abstract:

Genetic variation determines the potential for species to evolve. The complex interplay of evolutionary forces, such as gene flow, mutations, recombination, and selection, shape the extent of variability within a species. The concerted action of these forces dictates the degree of genetic differentiation among different microbial taxa as speciation unfolds, ultimately resulting in their divergence. However, the lack of adequate species concept, promiscuous gene exchange, and high cryptic diversity of microbes hampered the speciation study in cyanobacteria. In this thesis, I studied patterns of speciation in non-model free-living soil cyanobacteria Microcoleus and Laspinema on a local and global scale by searching for genome-wide hallmarks of ongoing differentiation and divergence. Employing population-level sampling from all continents besides South America, 500 closely related cyanobacterial strains were obtained. They were characterized based on morphology, sequenced markers 16S rRNA and 16S-23S ITS, and genomes (210 strains), which were subsequently used for the population genomics analyses. We found at least 12 distinct species at different points along a continuum of divergence in the global collection of Microcoleus, with up to four coexisting in sympatry. A significant influence of abiotic environmental factors (e.g., soil, climate, UV light), homologous recombination, and geography contributed to the diversification of Microcoleus in terrestrial soil systems. Furthermore, an ongoing divergence was captured between Microcoleus and Laspinema species in a sympatric setting. The speciation of these cyanobacteria was likely governed by adaptation to novel yet unexplored microniches in soil systems, particularly adaptation to varied light conditions and stress stimuli. In aggregate, genome-wide signatures of genetic differentiation, homologous recombination, and selection allowed us to place the diverging species on the speciation continuum, although the boundary remains blurry. Further studies are needed to unravel the functions of the genes under selection pressures as well as the nature of emerging barriers to gene flow between the species. Overall, the results of this thesis provide a deeper understanding of the genetic diversity that underlies ongoing speciation in terrestrial cyanobacteria and elucidates mechanisms contributing to the rise of new cyanobacterial species.

Abstract:

Míra genetické variability určuje potenciál pro vývoj druhů. Složitá souhra evolučních sil, jako je tok genů, mutace, rekombinace a selekce, utváří rozsah variability v rámci druhu. Společné působení těchto sil určuje míru genetické diferenciace mezi různými mikrobiálními taxony v průběhu speciace, což nakonec vede k jejich divergenci. Nicméně neadekvátní druhové koncepty, častá výměna genů a vysoká kryptická diverzita mikrobů brzdily studium speciace u sinic. V této práci jsem studoval speciaci u nemodelových volně žijících půdních sinic Microcoleus a Laspinema v lokálním i globálním měřítku charakterizací probíhající diferenciace a divergence na urovní celého genomu. Na základě vzorkování na úrovni populací ze všech kontinentů, kromě Jižní Ameriky, bylo získáno 500 blízce příbuzných kmenů sinic. Byly charakterizovány na základě morfologie, sekvenovaných markerů 16S rRNA, 16S-23S ITS a genomů (210 kmenů), které byly následně použity pro analýzy populační genomiky. V globální sbírce Microcoleus jsme nalezli nejméně 12 odlišných druhů v různých fázích speciačního kontinua, přičemž až čtyři druhy koexistovaly v sympatrii. K diverzifikaci Microcoleus v terestrických půdních systémech přispěl významný vliv abiotických faktorů prostředí (např. půda, klima, UV záření), homologní rekombinace a geografická diferenciace. Dále byla zachycena probíhající divergence mezi druhy Microcoleus a Laspinema v sympatrickém prostředí. Speciace těchto sinic byla pravděpodobně poháněna adaptací na nové, dosud neprozkoumané mikroniky v půdních systémech, zejména adaptací na rozmanité světelné podmínky a stresové podněty. Genetická diferenciace, homologní rekombinace a selekce nám umožnily zařadit divergující druhy do speciačního kontinua, i když hranice zůstává nejasná. K odhalení funkcí genů pod selekčním tlakem a také povahy vznikajících bariér toku genů mezi druhy jsou zapotřebí další studie. Celkově výsledky této práce poskytují hlubší pochopení genetické rozmanitosti, která je základem probíhající speciace u suchozemských sinic, a objasňují mechanismy přispívající ke vzniku nových druhů sinic.

Keywords

Biogeografie, kryptická diverzita, sinice, Laspinema, Microcoleus, fylogenetika, populační genomika, speciace

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 31. 5. 2023

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. Mgr. Petr Dvořák, Ph.D.

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Biologie / Botanika