Adattamento genomico del picoeucariota Pelagomonas calceolata al ferro
Jul 15, 2023Biologia delle comunicazioni volume 5, numero articolo: 983 (2022) Citare questo articolo
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Le specie di fitoplancton più piccole sono attori chiave nel ciclo biogeochimico degli oceani e la loro abbondanza e distribuzione sono influenzate dai cambiamenti ambientali globali. Tra queste, le alghe della classe Pelagophyceae comprendono specie costiere causa di fioriture algali dannose mentre altre sono cosmopolite e abbondanti. La mancanza di riferimenti genomici in questo lignaggio è una delle principali limitazioni allo studio della sua importanza ecologica. Qui, abbiamo analizzato l'abbondanza relativa di Pelagomonas calceolata, la nicchia ecologica e il potenziale di adattamento in tutti gli oceani utilizzando una sequenza genomica assemblata su scala cromosomica completa. I nostri risultati mostrano che P. calceolata è una delle specie eucariotiche più abbondanti negli oceani, con un’abbondanza relativa favorita da condizioni di alta temperatura, scarsa illuminazione e carenza di ferro. Le proiezioni dei cambiamenti climatici basate sulla sua abbondanza relativa suggeriscono un'estensione dell'habitat della P. calceolata verso i poli alla fine di questo secolo. Infine, abbiamo osservato un repertorio genetico specifico e variazioni dei livelli di espressione che potrebbero spiegare il suo successo ecologico in ambienti a basso contenuto di ferro e nitrati. Nel complesso, questi risultati rivelano l'importanza ecologica della P. calceolata e gettano le basi per un'analisi su scala globale delle strategie di adattamento e acclimatazione di questo piccolo fitoplancton in un ambiente in cambiamento.
Il fitoplancton marino rappresenta oltre il 45% della produzione primaria fotosintetica sulla Terra e svolge un ruolo essenziale nel fornire materia organica alle reti alimentari marine1. Sono attori globali chiave nell’assorbimento di CO2 e forniscono ossigeno gassoso all’atmosfera. Nel corso dell’ultimo secolo è stato segnalato un declino globale della biomassa fitoplanctonica (1% della concentrazione di clorofilla-a all’anno), che ha portato a una diminuzione della produzione primaria netta in molte regioni oceaniche2. Questo declino è probabilmente una conseguenza del riscaldamento globale degli oceani che determina la stratificazione della colonna d’acqua, riducendo l’apporto di nutrienti alle acque superficiali. È probabile che le riduzioni determinate dalla temperatura nella produttività del fitoplancton nelle regioni tropicali e temperate abbiano effetti a cascata sui livelli trofici più elevati e sul funzionamento degli ecosistemi3.
I picoeucarioti fotosintetici (PPE), definiti da un diametro cellulare <3 µm, appartengono a diversi phyla, tra cui Chlorophyta, Cryptophyta, Haptophyta e Stramenopiles4. Presenti in tutti gli oceani, i DPI sono i principali produttori primari nelle regioni calde e oligotrofiche5. Il riscaldamento degli oceani e l’espansione delle regioni oligotrofiche nei prossimi decenni potrebbero ampliare la nicchia ecologica dei DPI e si prevede uno spostamento globale da grandi organismi fotosintetici verso produttori primari più piccoli3,6. Ad esempio, lo scioglimento del ghiaccio marino nel bacino artico canadese è stato associato a un aumento dell’abbondanza di PPE come Micromonas a scapito delle alghe più grandi7. In laboratorio, quest’alga ha la capacità di cambiare la sua temperatura ottimale per la crescita in sole poche centinaia di generazioni, suggerendo che sarà meno colpita dal riscaldamento globale rispetto a molti organismi più grandi8. Inoltre, il maggiore rapporto superficie-volume cellulare dei PPE rispetto alle cellule di fitoplancton più grandi è vantaggioso per l'acquisizione di risorse e la crescita in ambienti limitati di nutrienti9,10.
Il ferro è un composto chiave necessario per l'attività della catena respiratoria, della fotosintesi e della fissazione dell'azoto10. Poiché il ferro biodisponibile è estremamente basso in più di un terzo della superficie dell’oceano, il piccolo fitoplancton ha sviluppato diverse strategie per ottimizzare l’assorbimento del ferro e ridurre il fabbisogno di ferro11. Nelle diatomee, i meccanismi di assorbimento del ferro, riduttivi e non riduttivi, coinvolgono molte proteine, tra cui fitotransferrine, reduttasi ferriche transmembrana, permeati di ferro e proteine leganti i siderofori12. Il fabbisogno di ferro può essere modulato dalla variazione dei livelli di espressione genica tra le proteine che richiedono ferro e il loro equivalente privo di ferro. Questi interruttori proteici includono il trasferimento di elettroni (flavodossina/ferredossina), la gluconeogenesi (fruttosio-bisfosfato aldolasi di tipo I o di tipo II) e le superossido dismutasi (Mn/Fe-SOD, Cu/Zn-SOD o Ni-SOD)13,14,15.
99% of identity) were detected at the extremity of contig 1 and 5 (393 Kb) and at the extremities of contig 3 and 6 (192 Kb; Supplementary Note 1 and Supplementary Fig. S1d). (TTAGGG)n telomeric repeats were detected at both ends of contigs 2, 3, 4, and 6, indicating that these four contigs represent complete chromosomes (Supplementary Fig. S1d). For contig 1 and contig 5, telomeric sequences were identified at only one extremity, the other extremity ending in the duplicated region. We used the Hi-C long-range technology to validate the assembly of P. calceolata genome sequence. The interaction map revealed a high number of contacts within contigs and very few across contigs (Supplementary Fig. S2 and Supplementary Note 2). No chimeras or fragmentations were detected. This result confirms that the six contigs correspond to six chromosomes of P. calceolata./p>0.2 nmol/l, 88 samples) with on average 1.7% of metagenomic reads (Wilcoxon test, P value = 0.02). In the 0.8–2000 µm size fraction, we observe the same tendency with a relative abundance of 1.9% of metagenomic reads on average in low-iron waters (49 samples) and a lower relative abundance of 0.78% of metagenomic reads on average in high-iron environments (59 samples) (Wilcoxon test, P value = 9.6e−7). In addition, P. calceolata relative abundance is weakly correlated with the 9’butanoyloxyfucoxanthin concentration, a signature pigment for pelagophytes (Pearson 0.22, P value = 0.02 and Pearson 0.41, P value = 4.82e−05 in the 0.8–5 µm and 0.8–2000 µm size fraction, respectively). We used a general additive model to estimate the contribution of temperature, PAR and iron concentration to P. calceolata relative abundance (Table 2). The three factors explain 32.3% of the variations of P. calceolata abundance in the 0.8–5 µm size fraction and 56.8% in the 0.8–2000 µm size fraction./p>0.2 nmol/l) iron conditions using Tara Oceans metatranscriptomes. P. calceolata has five genes encoding the phytotransferrin ISIP2A involved in Fe3+ uptake via endosomal vesicles and 2 putative iron-storage protein ISIP3. In iron-poor environments, three ISIP2A and one ISIP3 are overexpressed (Fig. 4a and Supplementary Data 9). This result indicates that similarly to diatoms, ISIP are upregulated following iron starvation in P. calceolata potentially improving cell growth in low-iron environments. Three genes encode the iron transporter ferroportin but are not differentially expressed according to the environment (Supplementary Fig. S8a). These proteins are iron exporters in multicellular organisms but their function in microalgae remains to be studied36. Finally, we identified eight Zinc/iron permeases potentially involved in iron uptake from the environment in the P. calceolata genome. Among them, two are overexpressed in high-iron and one in low-iron environments. Interestingly, we note the absence of the iron permease FTR1, the iron-storage ferritin and the starvation induced protein ISIP1 (involved in endocytosis of siderophores in diatoms). In comparison to P. calceolata, the coastal Pelagophyceae A. anophagefferens do not have ISIP3 gene and a lower number of Zinc–Iron permeases./p>0.2 nM) oceanic stations. P values of Wilcoxon statistical tests between low- and high-iron conditions are indicated for each gene. Significant P values (<0.01) are in bold. b Relative expression levels (TPM) of genes coding for ferredoxin (orange) and its non-ferrous equivalent flavodoxin (purple) in each Tara Oceans sample. Samples are sorted from low-iron (left) to high-iron (right) conditions. Iron concentrations are indicated in nM on the colored horizontal bar. c Same representation for genes coding for fructose-bisphosphate aldolase II (orange) and its non-ferrous equivalent fructose-bisphosphate aldolase I (purple)./p>2 µM) environments. P values of Mann–Withney–Wilcoxon tests between low- and high-nitrate samples are indicated for each gene. Significant P values (<0.01) are in bold./p>1% of all sequenced reads. In contrast to the coastal Pelagophyceae A. anophagefferens that can present high peaks of abundance37, no P. calceolata blooms were reported, but P. calceolata is well-adapted to an extensive range of environmental conditions as suggested by previous studies21,23. Although the abundance of an organism calculated from metabarcoding or metagenomic data provides only an indirect and relative quantification of organism abundances, both methods suggest that P. calceolata is one of the most abundant pico-nano eukaryote in offshore data. The high relative abundance of P. calceolata measured with a metabarcoding approach has recently been confirmed with a qPCR method (average of 5 882 ± 2 855 rRNA gene copies mL−1 on the surface of the eastern North Pacific)21. In addition, we have shown that the metabarcoding approach probably underestimates the relative abundance of P. calceolata compared to the metagenomic analysis owing to the low copy number of rRNAs in this organism. However, we cannot exclude that the large genome size of P. calceolata compared to bacterial genomes present in the 0.8–5 µm size fraction overestimates its relative abundance in metagenomic datasets. Further studies may combine microscopic and flow sorting approaches with genomic data to assess the number of cells and the biomass of this organism in the oceans. Our model analysis has revealed a probable increase of P. calceolata relative abundance at the end of the century in high latitudes where the seawater temperature is currently too low for this species. This result is coherent with previous studies suggesting a global increase of phytoplankton in subpolar regions38,39./p>80% of the cases, repeat families identified using ab initio approaches do not overlap with repetitive regions identified by homology search. GC content along the genome was calculated with Bedtools nuc version 2.29.266 and the coverage over a non-overlapping window of 2 Kb with Mosdepth version 0.2.867./p> 50 % filter, and alignments refined with Genewise as previously described./p> 100 aa) against 27.7 million proteins from NR, the METdb72 transcriptome database, eukaryotic algal proteomes from the JGI database, Tara Oceans single-cell amplified genomes and metagenome assembled genomes (SMAGs)82. The 60 retrieved proteins and the 3 P. calceolata NIT-domain-containing proteins were then aligned with Mafft v7.0 (https://mafft.cbrc.jp/alignment/server/) and a Maximum Likelihood phylogenetic tree (Jones–Taylor–Thornton substitution model and 100 bootstraps) was made with MEGAX software. Transmembrane regions in NIT-sensing domain-containing proteins were identified with TMHMM v 2.055./p> 
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