From Field Metagenomes to Mutant Genomes: Coevolution of Cyanophages and Synechococcus in Estuarine Ecosystems

生物 基因组 突变体 共同进化 基因组 基因 适应(眼睛) 水平基因转移 生态学 遗传学 生态系统 细菌 河口 噬菌体 蓝藻 微生物生态学 微生物群 进化生物学 环境生物技术 寄主(生物学) 水生生态系统 细菌遗传学 突变 全基因组测序 系统发育学 原核生物 古细菌 光合作用
作者
Yisha Tan,Dayu Zou,Can Ni,Qinglu Zeng,Meng Li
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (14): 10789-10803
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c12277
摘要

Picocyanobacteria, represented by Prochlorococcus and Synechococcus, are major photosynthetic organisms in aquatic ecosystems, and their viruses (cyanophages) significantly impact cyanobacterial ecology and evolution. Here, we combined metagenomics of Synechococcus communities along four representative estuaries in China and whole-genome analyses of laboratory-evolved Synechococcus mutants to link viral diversity to host adaptation and evolution. We assembled 83 cyanophage genomes (mainly cyanomyoviruses), with expanded auxiliary metabolic genes encoding glycosyltransferases and radical S-adenosyl methionine proteins involved in amino acid and lipopolysaccharide metabolism. Metagenome-assembled cyanobacterial genomes revealed mutations predominantly in membrane-associated functions linked to phage infection. In parallel, we identified genetic pathways conferring phage resistance in 18 evolved Synechococcus mutant strains that are resistant to phage infection. Notably, mutations in carbohydrate (rfbA) and photosynthetic energy transfer (cpeT) of Synechococcus mutants recurred in both cultured isolates and recovered metagenomes. These results indicate that cyanophages in estuaries leverage broader metabolic toolkits, while Synechococcus repeatedly evolves resistance. Together, these findings outline a reciprocal adaptive landscape that helps explain the persistence and turnover of picocyanobacterial populations in estuarine environments.
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