Genomica comparativă a bacteriilor lactice PNAS
- Găsiți acest autor pe Google Scholar
- Găsiți acest autor pe PubMed
- Căutați acest autor pe acest site
- Pentru corespondență: koonin @ ncbi.nlm.nih.govtrk @ unitate.ncsu.edubcweimer @ cc.usu.edudamills @ ucdavis.edu
- Găsiți acest autor pe Google Scholar
- Găsiți acest autor pe PubMed
- Căutați acest autor pe acest site
- Pentru corespondență: koonin @ ncbi.nlm.nih.govtrk @ unitate.ncsu.edubcweimer @ cc.usu.edudamills @ ucdavis.edu
- Găsiți acest autor pe Google Scholar
- Găsiți acest autor pe PubMed
- Căutați acest autor pe acest site
- Pentru corespondență: koonin @ ncbi.nlm.nih.govtrk @ unitate.ncsu.edubcweimer @ cc.usu.edudamills @ ucdavis.edu
Contribuție de T. Klaenhammer, 16 august 2006
Abstract
Bacteriile producătoare de acid lactic sunt asociate cu diverse nișe de plante și animale și joacă un rol cheie în producția de alimente și băuturi fermentate. Raportăm nouă secvențe de genom care reprezintă diversitatea filogenetică și funcțională a acestor bacterii. Micii genomi ai bacteriilor lactice codifică un repertoriu larg de transportori pentru o achiziție eficientă de carbon și azot din mediile bogate din punct de vedere nutrițional în care locuiesc și reflectă o gamă limitată de capacități biosintetice care indică atât tulpini prototrofe, cât și tulpini auxotrofe. Analizele filogenetice, compararea conținutului de gene în cadrul grupului și reconstrucția seturilor genetice ancestrale indică o combinație de pierderi genetice extinse și achiziții cheie de gene prin transfer orizontal de gene în timpul coevolutiei bacteriilor lactice cu habitatele lor.
Bacteriile lactice (LAB) sunt definite istoric ca un grup de organisme microaerofile, Gram-pozitive, care fermentează zaharurile hexozice pentru a produce în principal acid lactic. Această clasificare funcțională include o varietate de genuri importante din punct de vedere industrial, inclusiv specii Lactococcus, Enterococcus, Oenococcus, Pediococcus, Streptococcus, Leuconostoc și Lactobacillus. Metabolismul aparent simplist al LAB a fost exploatat de-a lungul istoriei pentru conservarea alimentelor și băuturilor în aproape toate societățile care datează de la originile agriculturii (1). Domesticarea tulpinilor LAB transmise prin diferite tradiții culinare și trecerea continuă a produselor alimentare a dus la culturi moderne care sunt capabile să efectueze aceste fermentații. Astăzi, LAB joacă un rol important în aprovizionarea cu alimente la nivel mondial, realizând principalele bioconversii în produse lactate fermentate, carne și legume. LAB sunt, de asemenea, critice pentru producția de vin, cafea, siloz, cacao, aluat și numeroase fermentații alimentare indigene (2).
Speciile LAB sunt indigene în habitate legate de hrană, inclusiv medii de plante (fructe, legume și cereale) și de lapte. În plus, LAB-urile sunt asociate în mod natural cu suprafețele mucoasei animalelor, de exemplu, intestinul subțire, colonul și vaginul. Izolatele aceleiași specii sunt adesea obținute din habitate vegetale, lactate și animale, implicând o distribuție largă și adaptare specializată la aceste medii diverse. Speciile LAB folosesc două căi pentru metabolizarea hexozei: o cale homofermentativă în care acidul lactic este produsul primar și o cale heterofermentativă în care se produc acid lactic, CO2, acid acetic și/sau etanol (3).
Au fost publicate secvențe genomice complete pentru opt specii LAB fermentative și comensale: Lactococcus lactis, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus johnsonii, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus sakei, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus salivarius și Streptococcus. Acest studiu examinează alte nouă genomi LAB care reprezintă diversitatea filogenetică și funcțională a microorganismelor producătoare de acid lactic. LAB are genomi mici care codifică o serie de capabilități biosintetice care reflectă atât caracterele prototrofe, cât și cele auxotrofe. Analizele filogenetice, compararea conținutului genomic în cadrul grupului și reconstrucția seturilor genetice ancestrale relevă o combinație de pierderi și câștiguri genetice în timpul coevoluției LAB cu animale și alimentele pe care le-au consumat.
Rezultate si discutii
Caracteristici generale ale genomilor LAB.
Caracteristicile majore ale genomului LAB secvențiat sunt rezumate în Tabelul 1, care este publicat ca informații de sprijin pe site-ul web PNAS. Numărul de gene prognozate care codifică proteinele din LAB diferă de la 7001.700 la ~ 2.800. Având în vedere relația filogenetică strânsă a acestor organisme, o astfel de diferență sugerează pierderea substanțială a genelor și/sau câștig în evoluția lor. În plus, toate genomurile LAB conțin pseudogene. În mod surprinzător, numărul pseudogenelor diferă cu un ordin de mărime, de la valorile bootstrap de 75%. Speciile sunt colorate conform taxonomiei actuale: Lactobacillaceae, albastru; Leuconostocaceae, magenta; Streptococcaceae, roșu.
Arborii filogenetici ai Lactobacillales construiți pe baza alinierilor concatenate ale proteinelor ribozomale. Toate ramurile sunt acceptate la valori de bootstrap> 75%. Speciile sunt colorate conform taxonomiei actuale: Lactobacillaceae, albastru; Leuconostocaceae, magenta; Streptococcaceae, roșu.
Un test de ceas molecular (19) a arătat o eterogenitate ridicată a ratelor evolutive în Lactobacillales. Majoritatea distanțelor de la rădăcină până la vârf sunt semnificativ inegale cu înălțimea medie a copacului; evoluția accelerată raportată anterior (20) a grupului Leuconostoc (cu un factor de 1,7-1,9 față de grupul suror Pediococcus) a fost deosebit de proeminentă.
Puterea selecției de purificare care acționează asupra speciilor Lactobacillales poate fi estimată prin utilizarea a două perechi strâns legate de genomi: Lb. gasseri/Lb. johnsonii și Lc. lactis/Lc. cremoris. Ratele de substituție sinonime și nesinonime au fost estimate din alinierea secvenței de codare concatenate a 443 gene ortoloage (142.031 codoni). Raportul dS/dN (distanță la site-uri sinonime/distanță la site-uri non-sinonime) a fost de 38,5 ± 0,5 pentru Lb. gasseri/Lb. perechea johnsonii și 29,8 ± 0,4 pentru Lc. lactis/Lc. pereche cremoris, care prezintă o presiune evolutivă neobișnuit de puternică în comparație cu Proteobacteria, care are un raport caracteristic dS/dN de 5-10 (21). Acest lucru este probabil să reflecte dimensiunea efectivă mare a populației și/sau rata mare de mutație a speciilor Lactobacillales, deoarece se știe că intensitatea selecției de purificare este proporțională cu aceste cantități (22).