L'identification et le suivi des éléments mobiles dans les communautés de compost en évolution donnent un aperçu du nanobiome

ISME Communications volume 3, Numéro d'article : 90 (2023) Citer cet article

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L'évolution microbienne est motivée par des changements rapides dans le contenu génétique induits par le transfert horizontal de gènes (HGT). Alors que les éléments génétiques mobiles (MGE) sont d’importants moteurs du flux génétique, le nanobiome – le zoo des réplicateurs darwiniens qui dépendent d’hôtes microbiens – reste mal caractérisé. De nouvelles approches sont nécessaires pour accroître notre compréhension au-delà des MGE qui façonnent des populations individuelles, vers leurs impacts sur des communautés microbiennes complexes. Un pipeline bioinformatique (xenoseq) a été développé pour comparer des échantillons métagénomiques provenant de consortiums microbiens évoluant en parallèle, visant à identifier la dissémination des MGE, qui a été appliqué aux communautés de compost ayant subi un mélange périodique de MGE. Nous montrons que le xenoseq peut distinguer le mouvement des MGE des changements démographiques dans la composition de la communauté qui autrement confondraient l'identification, et démontrons en outre la découverte de diverses entités inattendues. Une nanobactérie du phylum candidat des radiations (CPR), étroitement liée à une espèce identifiée dans les écosystèmes d'eaux souterraines (Candidatus Saccharibacterium), et qui semble avoir un mode de vie parasitaire, a été particulièrement intéressante. Nous mettons également en évidence un autre élément mobile prolifique, un plasmide de 313 kb hébergé par une lignée Cellvibrio. Il était prévu que l'hôte soit capable de fixer l'azote et que l'acquisition du plasmide coïncide avec une production accrue d'ammoniac. Prises ensemble, nos données montrent que de nouvelles stratégies expérimentales combinées à des analyses bioinformatiques de données métagénomiques devraient fournir un aperçu du nanobiome en tant que moteur de l'évolution de la communauté microbienne.

Le transfert horizontal de gènes (HGT) peut affecter de manière significative le destin évolutif des microbes [1,2,3]. Outre la transformation – où les bactéries absorbent directement l’ADN environnemental – tout mouvement horizontal du matériel génétique est catalysé par des éléments génétiques mobiles (MGE), des entités darwiniennes dotées de leur propre dynamique [4]. Au siècle dernier, une multiplicité de MGE a été observée, allant des bactériophages distinctement parasites [5,6,7,8,9] et des transposons [10,11,12] aux plasmides [13,14,15] et aux transposons [13,14,15]. et éléments conjugatifs (ICE) [16,17,18,19]. Plus récemment, de nouveaux éléments mobiles ont été découverts dans tout le monde microbien, tels que les REPIN [20, 21], les Starships [22] et les Borgs [23], et même des chromosomes fongiques entiers semblent être en mouvement [24,25]. ,26].

Les relations entre les MGE et les hôtes sont complexes, en constante évolution et fortement dépendantes du contexte. Par exemple, même si les éléments conjugatifs sont généralement bénins, ils peuvent également favoriser l'auto-survie aux dépens des hôtes (19, 27). De même, bien que les bactériophages soient généralement prédateurs ou parasites, ils peuvent être récupérés au profit des hôtes (5, 28, 29, 30). De plus, les MGE peuvent se recombiner entre eux ou parasiter d’autres éléments mobiles [31,32,33,34,35]. Pris ensemble, ces processus peuvent être fondamentaux pour notre compréhension des communautés microbiennes en tant que collections de gènes localement adaptatifs, plutôt que d'espèces localement adaptées (36, 37). Bien que la portée et l'ampleur du flux d'ADN à travers les communautés microbiennes via les MGE soient actuellement mal comprises, des travaux récents suggèrent que le flux pourrait être très significatif même dans la mesure où il définit et pilote un processus au niveau communautaire avec des effets similaires au sexe au sein des populations. 38, 39].

En plus de déplacer les gènes nécessaires à l'auto-réplication et à la transmission, les MGE assurent souvent le transfert des gènes hôtes auxquels ils sont liés. Que ce soit par conception ou par accident, les MGE qui acquièrent des gènes améliorant la condition physique de l'hôte risquent d'être rapidement amplifiés par la sélection, les gènes capturés étant largement diffusés. Parfois, les effets peuvent être très conséquents, par exemple, le mouvement des ICE porteurs de gènes de nodulation et de fixation de l'azote convertit les rhizobiums non symbiotiques en symbiotes végétaux en une seule étape (40, 41). Les ICE ont également été identifiés en observant le mouvement de la résistance aux antimicrobiens [42, 43] et des gènes de résistance aux métaux lourds [18]. Cependant, ces voies de découverte dépendent à la fois de la capacité à cultiver des microbes focaux et du port de traits phénotypiques sélectionnables.