Evoluční a funkční aspekty nových endosymbiontů eustigmatofytních řas příbuzných rodů Rickettsia

Mgr. Tatiana YURCHENKO

Doctoral thesis

Evolutionary and functional aspects of novel endosymbionts of eustigmatophyte algae related to the genus Rickettsia

Abstract:

Algae are the main primary producers in the aquatic environments and with an ever-growing significance for industry. Recent studies highlight the importance of the microbial community for the life of algae. In this thesis I first review the current knowledge of algae-bacteria interactions, putting emphasis on the information on evolutionary and functional relationships between algae and their partners gleaned from genomic data. I then present results of investigations of one particular example of interactions between bacteria and algae: a newly discovered symbiotic system consisting of a lineage of bacterial endosymbionts occupying eustigmatophyte algae. This part is based on three published papers that I have co-authored during my PhD study. In the first paper we report on sequencing and analyses of plastid genomes of two eustigmatophyte algae, Vischeria sp. CAUP Q 202 and Monodopsis sp. MarTras21. Its key result is the discovery of a novel uncharacterized six-gene operon (denoted ebo) distributed widely in various bacterial groups and apparently transferred horizontally from a bacterial donor into the plastid genome of a common ancestor of Vischeria and Monodopsis, expanding thus the metabolic production of plastids of some eustigmatophytes with a putative secondary metabolite (presumably a prenylated cyclitol derivative) of an unknown function. In the second paper we present the discovery of novel bacterial endosymbionts of the family Rickettsiaceae, formally described as the genus Candidatus Phycorickettsia, identified in various eustigmatophyte hosts. We sequenced the genome of one particular strain, Ca. Phycorickettsia trachydisci (inhabiting Trachydiscus minutus), which proved to exhibit the generic features of its relatives in the order Rickettsiales, but also some peculiarities, including loss of heme biosynthesis and of the complexes III and IV of the respiration chain. Most strikingly, the bacterium harbors a copy of the ebo operon (exclusively among Rickettsiales) that is specifically related to the ebo operons found in Vischeria and Monodopsis. We interpret this as evidence for transfer of the operon from a bacterium of the Phycorickettsia lineage into an early eustigmatophyte, at the same time suggesting a long-term partnership between Phycorickettsia-related bacteria and eustigmatophyte algae. In the third, most recent paper we refine the picture drawn by the first two. By sequencing plastid genomes from seven additional, phylogenetically diverse eustigmatophytes, we could not only infer a robust backbone phylogeny of the group, but also pinpoint the acquisition of the ebo operon to a specific internal branch of the order Eustigmatales. Most remarkably, we found another genetic footprint of an affair of eustigmatophytes with an early member of the Phycorickettsia lineage, this time in the form of a Phycorickettsia-related nuclear gene encoding a plastid-targeted version of acyl carrier protein. The gene is present in all eustigmatophytes investigated (including representatives of both main clades, Eustigmatales and Goniochloridales), indicating a HGT event before the radiation of extant eustigmatophytes and, indirectly, that eustigmatophytes have served as hosts of Phycorickettsia endosymbionts for the whole span of their evolutionary history. Our research thus demonstrates on a particular example both the previously unsuspected significance of bacteria for algal life and evolution, and the usefulness of genomics and other modern methods in unravelling the secrets of algae-bacteria relationships.

Abstract:

Řasy představují hlavní primární producenty ve vodním prostředí s neustále rostoucím významem pro průmysl. Současný výzkum zdůrazňuje důležitost mikrobiálního společenstva pro život řas. V této disertační práci nejprve podávám přehled současných znalostí o interakcích řas a bakterií, s důrazem na informace o evolučních a funkčních vztazích mezi řasami a jejich partnery získávané studiem genomových dat. Poté presentuji výsledky zkoumání jednoho konkrétního příkladu interakcí mezi bakteriemi a řasami: nově objeveného symbiotického systému sestávajícího z dříve neznámé linie bakteriálních endosymbiontů žijících v eustigmatofytních řasách. Tato část je postavena na třech publikovaných článcích, na nichž jsem se podílela během svého doktorského studia. V prvním článku popisujeme sekvenování a analýzu plastidových genomů dvou eustigmatofytních řas, Vischeria sp. CAUP Q 202 and Monodopsis sp. MarTras21. Klíčovým výsledkem je objev nového necharakterizovaného operonu o šesti genech (nazvaného ebo), který je široce distribuován v různých bakteriálních skupinách a byl zjevně přenesen horizontálně z bakteriálního donora do plastidového genomu společného předka rodů Vischeria a Monodopsis, čímž rozšířil metabolickou produkci plastidů některých eustigmatofytů o předpokládaný sekundární metabolit (nejspíš derivát prenylovaného cyklitolu) neznámé funkce. Ve druhém článku představujeme objev nových bakteriálních endosymbiontů z čeledi Rickettsiaceae, popsaných jako rod Candidatus Phycorickettsia (česky fykorickettsie), kteří byli nalezeni v různých eustigmatofytních hostitelích. Stanovení kompletní sekvence genomu konkrétního zástupce, Ca. Phycorickettsia trachydisci (obývajícího řasu Trachydiscus minutus), potvrdilo vlastnosti obecně přítomné ve řádu Rickettsiales, ale odhalilo také některé zvláštnosti, např. ztrátu biosyntézy hemu a komplexů III a IV respiračního řetězce. Nejpřekvapivějším bylo však zjištění, že tato bakterie (výjimečně mezi zástupci Rickettsiales) obsahuje kopii ebo operonu, který je specificky příbuzný variantám ebo operonu nalezeným v rodech Vischeria a Monodopsis. Interpretujeme to jako doklad přenosu tohoto operonu z bakterie linie Phycorickettsia do raného zástupce eustigmatofytů, co zároveň naznačuje dlouhodobé partnerství mezi fykorickettsiemi a eustigmatofytními řasami. Ve třetím, nejaktuálnějším článku zpřesňujeme obraz podaný v předchozích dvou publikacích. Díky sekvenování plastidových genomů sedmi dalších, fylogeneticky rozmanitých eustigmatofytů jsme nejen mohli odvodit robustní fylogenetickou kostru této řasové skupiny, ale také přesně vymezit konkrétní vnitřní větev řádu Eustigmatales, v níž došlo k získání ebo operonu. Nejpozoruhodnějším výsledkem je ovšem nalezení další genetické stopy intimního kontaktu eustigmatofytů s dávným zástupcem linie Phycorickettsia, v tomto případě v podobě jaderného genu s blízkou evoluční afinitou k homologu v genomu fykorickettsie kódujícího do plastidu směrovanou verzi proteinu ACP (acyl carrier protein). Tento gen je přítomen ve všech zkoumaných eustigmatofytech (zástupcích obou hlavních kládů, Eustigmatales and Goniochloridales), což dokládá, že k horizontálnímu přenosu genu došlo před rozrůzněním současných linií eustigmatofytů, a nepřímo že eustigmatofyté sloužili jako hostitelé fykorickettsiálních endosymbiontů po celou dobu jejich evoluční historie. Náš výzkum demonstruje na konkrétním příkladu dříve netušený význam bakterií pro život a evoluci řas a také užitečnost genomiky a dalších moderních metod pro odhalování tajemství vztahů mezi řasami a bakteriemi.

Keywords

acyl carrier protein, ebo operon, endosymbióza, evoluce, Eustigmatophyceae, genomika, horizontální přenos genů, plastidové genomy, Rickettsiales, řasy

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 1. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 21. 2. 2019
• Supervisor: doc. Mgr. Marek Eliáš, Ph.D., doc. Mgr. Marek Eliáš, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology / Biology