속, 종 및 개체군 수준의 게놈 카피 수 변동성은 와편모충류 및 유해 조류 번식에 대한 현장 생태학적 분석에 영향을 미칩니다.

ISME 커뮤니케이션 3권, 기사 번호: 70(2023) 이 기사 인용

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수생 진핵 미생물 군집에 메타바코딩, qPCR 및 메타게놈학을 적용하려면 게놈 카피수 가변성(CNV)에 대한 지식이 필요합니다. CNV는 기능성 유전자와 특히 관련이 있어 투여량과 발현에 영향을 미칠 수 있지만, 미생물 진핵생물에서 CNV의 규모와 역할에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 여기에서는 Alexandrium(Dinophyceae) 4종의 51개 계통에서 rRNA의 CNV와 마비성 패류 독소(PST) 합성(sxtA4)에 관여하는 유전자를 정량화합니다. 게놈은 종 내에서는 최대 3배, 종 간에는 최대 7배까지 다양했으며, 진핵생물 중 가장 큰 크기 범주에서 가장 큰 것(A. pacificum, 130 ± 1.3 pg cell−1 /~127 Gbp)을 보였습니다. rRNA의 게놈 카피 수(GCN)는 알렉산드리움(102-108 카피 세포-1) 사이에서 6배 정도 다양하며 게놈 크기와 유의미한 관련이 있습니다. 집단 내에서 rRNA의 CNV는 한 집단에서 분리된 15개 균주에서 2배(105 – 107 세포)였으며, 이는 rRNA 유전자를 기반으로 한 정량적 데이터가 국소적으로 분리된 균주에 대해 검증되더라도 해석에 상당한 주의가 필요함을 보여줍니다. 실험실 배양 기간이 최대 30년임에도 불구하고 rRNA CNV와 게놈 크기 변동성은 배양 시간과 상관관계가 없었습니다. 세포 부피는 rRNA GCN과 약하게 연관되어 있었습니다(와편모충류에 걸쳐 설명된 차이는 20-22%, Gonyaulacales에서는 4%). sxtA4의 GCN은 0-102개 복사본 셀-1로 다양하며 PST(ng 셀-1)와 유의하게 관련되어 PST 생산을 조절하는 유전자 투여량 효과를 나타냅니다. 우리의 데이터는 주요 해양 진핵생물 그룹인 와편모충류에서 낮은 사본의 기능성 유전자가 불안정한 rRNA 유전자보다 생태학적 과정의 정량화를 위한 더 신뢰할 수 있고 유익한 표적임을 나타냅니다.

게놈 카피 수 변이(CNV)는 진핵생물, 박테리아 및 고세균 게놈에서 점점 더 많이 문서화되고 있으며[1,2,3,4,5], 특정 내 및 집단 수준 유전적 변이의 주요 원인을 나타냅니다. 표현형 특성 발현에 대한 CNV의 영향은 현화 식물, 척추동물, 효모 및 많은 모델 유기체를 포함한 인간 건강 연구에서 특성화되었습니다[1,2,3,4,5]. 진핵생물 CNV는 발현 및 투여량을 증가시켜 잠재적인 선택적 이점을 제공할 수 있습니다[1, 3, 5,6,7]. 잠재적인 중요성에도 불구하고 해양 미생물 진핵생물을 포함한 대부분의 비모델 유기체에서 CNV의 규모와 역할은 잘 알려져 있지 않습니다.

CNV는 해양 미생물 진핵생물에서 보고되었으며[8,9,10,11,12,13], 몇몇 연구에서는 rRNA 유전자가 복제 수나 서열이 다를 수 있음을 나타냈지만[14, 15], 그 여부는 여전히 상대적으로 불분명합니다. CNV는 메타 바코드, 메타 유전체학 및 qPCR을 사용하는 정량적 분자 생태학 연구에 중요한 영향을 미칩니다[10]. 해양 원생 생물에 대한 정량적 분자 생태학 연구는 일반적으로 참조 데이터베이스에서 rRNA 유전자가 광범위하게 적용되고 분류군을 해결하는 능력 및 진핵생물에서 높은 게놈 사본 수(GCN)(>102)로 인해 군집 구조 분석을 위해 rRNA 오페론 영역을 사용합니다. cell−1)은 검출 감도에 도움이 됩니다[9,10,11,12]. 그러나 동물, 균류 및 식물에서는 rRNA 유전자 복사본이 102-104개 세포 복사본(9, 10, 16,17,18)으로 다양하게 존재하며, 비슷한 범위(103-104개 세포 세포-1)가 있습니다. 규조류(Stramenopiles) [19]. 다른 미생물 진핵생물 그룹은 섬모충(Alveolata)의 경우 103~105개 세포 복사체(Alveolata)[11], 유공충(Rhizaria)의 경우 102~105개 세포로 더 큰 변이를 보일 수 있습니다[12]. 대부분의 미생물 진핵생물 종 내에서 rRNA 유전자 사본 수는 더 안정적인 것으로 간주되지만[19, 20], 이를 조사한 연구는 상대적으로 적습니다[11, 12, 19].

와편모충류는 가장 유해한 조류 증식(HAB) 형성 분류군을 포함할 뿐만 아니라 해양 미생물 진핵생물 바이오매스의 최대 50%를 구성하므로 수생 미생물 생태계의 주요 구성 요소입니다[13]. 게놈 크기는 가장 큰 동물(폐어, 130Gb) 및 식물(Paris japonica, 149Gb) 게놈보다 큰 알려진 가장 큰 진핵생물 게놈 중 일부를 포함하여 와편모충류(~1Gb ~ >150Gb)에서 상당히 다양합니다[21,22, 23,24,25]. 유전자 복제와 대규모 확장은 와편모충 게놈 사이에서 발생한 것으로 보이며 코딩 유전자는 종종 여러 개의 직렬 반복으로 존재합니다 [26,27,28,29,30]. 산호 공생종 종(Dinophyceae: Symbiodinaceae)의 게놈은 직렬 중복[28, 29]과 역위치[31, 32]를 통한 유전자 계열 확장에 의해 구동되는 매우 역동적인 진화를 보여줍니다. 상당한 게놈 크기 변화와 매우 큰 게놈이 여러 플랑크톤 와편모충목[33]뿐만 아니라 유공충, 섬모충 및 아메보조아와 같은 다른 해양 미생물 진핵생물 그룹에서도 발생합니다[33]. 진핵 생물의 대부분에 걸쳐 rRNA 유전자의 GCN은 게놈 크기와 광범위하게 상관관계가 있는 것으로 간주됩니다[18]. 이러한 크고 역동적인 게놈 크기는 이들 분류군에 상당한 CNV가 존재할 수 있음을 시사합니다.