Cianobactérias são micro-organismos que realizam fotossíntese oxigênica e têm uma distribuição cosmopolita. Algumas cianobactérias são capazes de realizar fotossíntese e fixação biológica de nitrogênio (FBN), dois dos mais importantes processos na natureza, simultaneamente. As cianobactérias da ordem Nostocales são capazes realizar uma separação espacial destes dois processos por meio da formação de células especializadas, os heterócitos, onde acontece a fixação de nitrogênio, restringindo a fotossíntese às células vegetativas. Embora tenham importância ecológica, econômica e social, as cianobactérias foram muito pouco estudas com enfoque genômico. Este trabalho teve como objetivo a caracterização dos agrupamentos gênicos envolvidos na fixação biológica de nitrogênio e na diferenciação de heterócitos de três isolados brasileiros de cianobactérias da ordem Nostocales. Para este fim, culturas das linhagens Sphaerospermopsis torquesreginae ITEP-024, Nostoc sp. CENA67 e Fischerella sp. CENA161 foram sequenciadas com a plataforma MiSeq e então foi realizada a montagem ab initio do genoma com as leituras obtidas. Além desses três isolados, os genomas de outras 31 linhagens disponíveis no banco de dados GenBank foram recuperados e utilizados para comparação. A anotação dos genes foi realizada por meio do alinhamento de sequências nucleotídicas já conhecidas de outras linhagens contra os genomas dessas linhagens, utilizando a ferramenta BLASTn, e por meio do servidor antiSMASH. Além disso, análises filogenéticas foram realizadas a partir dos genes anotados. O sequenciamento dos genomas das três linhagens apresentou altos valores de qualidade de bases e elevada cobertura genômica. A anotação dos agrupamentos envolvidos na FBN revelou a presença de um total de 22 genes envolvidos na síntese da Mo-nitrogenase, sendo 19 presentes em todas as linhagens. Os isolados brasileiros apresentaram sintenia com outras linhagens próximas filogeneticamente, apresentando variação apenas na presença de regiões de excisão e do gene glbN. A linhagem CENA161 apresentou um agrupamento gênico completo para síntese da V-nitrogenase, assim como apenas outras 5 linhagens em toda a ordem. Foram encontradas nas três linhagens sequenciadas os genes devACB, relacionados à formação da camada polissacarídica do heterócito. Os genes hglEGDCA e hetM, que estão relacionados à formação da camada glicolipídica de heterócitos, foram encontrados completos nas linhagens ITEP-024 e CENA67, mas apenas parcialmente na CENA161. Genes reguladores do processo de diferenciação também foram acessados nas três linhagens brasileiras, entretanto apenas os reguladores globais do processo formam encontrados em CENA161. As análises filogenéticas mostraram que o gene nifH não reflete a filogenia do táxon e não é um bom marcador filogenético. Entretanto, a análise de todo o agrupamento refletiu o padrão filogenético de acordo com a taxonomia. Os resultados contribuem para a melhor compreensão dos aspectos genéticos e evolutivos do processo de FBN em cianobactérias. / Cyanobacteria are oxygenic photosynthetic microorganisms that have a worldwide distribution. Some cyanobacteria are capable of photosynthesis and biological nitrogen fixation (BNF), two of the most important processes in nature, simultaneously. Cyanobacteria from the Nostocales order perform a spatial separation of these processes through the formation of specialized cells, heterocytes, where nitrogen fixation is carried out, while photosynthesis is limited to vegetative cells. Although cyanobacterial have ecological, economic and social importance, they have been understudied with genomic approaches. This study aimed to characterize gene clusters involved in nitrogen fixation and heterocytes differentiation from three Brazilian strains of cyanobacteria from Nostocales order. For this purpose, nonaxenic cultures of the strains Sphaerospermopsis torque-reginae ITEP-024, Nostoc sp. CENA67 and Fischerella sp. CENA161 were sequenced with the Illumina MiSeq platform and ab initio genome assembly was performed. In addition to these strains, genomes from 31 strains available in the GenBank database were retrieved and used for comparison. Gene annotation was performed through alignments between known genes present in other cyanobacteria and the strains genomes, using the BLASTn tool, and through the antiSMASH server. Furthermore, phylogenetic analyses were performed on the annotated genes. The genome sequencing showed high bases quality values and genomic coverage. The annotation of clusters involved in the BNF revealed the presence of a total of 22 genes involved in the synthesis of Mo-nitrogenase, among 19 were present in all strains. Brazilian isolates showed synteny with phylogenetically related strains, with variations only in the presence of excision regions and glbN gene. The CENA161 strain showed a complete gene cluster for synthesis of V-nitrogenase, present in only 5 other strains in this order. devACB genes, related to the heterocyte polysaccharide layer formation, were found in the three strains sequenced. The hglEGDCA and hetM genes, related to the formation of heterocyte glycolipid layer, were complete in ITEP-024 and CENA67 strains, but only partial in CENA161. Gene regulation of the heterocyte differentiation process have also been accessed in the three Brazilian strains, but only the general process regulatory genes were found in CENA161. Phylogenetic analysis showed that the gene nifH does not reflect the phylogeny of this group and should not be considered a good phylogenetic marker. However, the complete genes cluster analysis reflected the patterns of phylogenetic grouping according to taxonomy. The results contribute to a better understanding of the genetic and evolutionary aspects of the BNF process in cyanobacteria.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-28032016-132147 |
| Date | 15 January 2016 |
| Creators | Bruno Costa Evangelista de Souza |
| Contributors | Marli de Fatima Fiore, Tsai Siu Mui, Michele de Cássia Pereira e Silva |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Agronomia (Microbiologia Agrícola), USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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