Environmental stress leads to genome streamlining in a widely distributed species of soil bacteria

生物 基因组 基因 遗传学 进化生物学 基因组进化 缓生根瘤菌 生态选择 基因复制 植物进化 计算生物学 生态学 选择(遗传算法) 计算机科学 人工智能 根瘤菌
作者
Anna K. Simonsen
出处
期刊:The ISME Journal [Springer Nature]
卷期号:16 (2): 423-434 被引量:66
标识
DOI:10.1038/s41396-021-01082-x
摘要

Bacteria have highly flexible pangenomes, which are thought to facilitate evolutionary responses to environmental change, but the impacts of environmental stress on pangenome evolution remain unclear. Using a landscape pangenomics approach, I demonstrate that environmental stress leads to consistent, continuous reduction in genome content along four environmental stress gradients (acidity, aridity, heat, salinity) in naturally occurring populations of Bradyrhizobium diazoefficiens (widespread soil-dwelling plant mutualists). Using gene-level network and duplication functional traits to predict accessory gene distributions across environments, genes predicted to be superfluous are more likely lost in high stress, while genes with multi-functional roles are more likely retained. Genes with higher probabilities of being lost with stress contain significantly higher proportions of codons under strong purifying and positive selection. Gene loss is widespread across the entire genome, with high gene-retention hotspots in close spatial proximity to core genes, suggesting Bradyrhizobium has evolved to cluster essential-function genes (accessory genes with multifunctional roles and core genes) in discrete genomic regions, which may stabilise viability during genomic decay. In conclusion, pangenome evolution through genome streamlining are important evolutionary responses to environmental change. This raises questions about impacts of genome streamlining on the adaptive capacity of bacterial populations facing rapid environmental change.
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