Comparative genomic analysis of the Ensiter genus provides insights into the adaptations to cave environments

Abstract

One of the most prominent features of the bacterial species belonging to the Ensifer genus is their predatory behavior against other bacteria. Over the years members of Ensifer have been isolated from a variety of different environments, some of them imposing extreme conditions for life. One of those extremes is the subsurface environment, more specifically, caves. The particularities of cave environments, such as the deprivation of sunlight and the geological isolation to the surrounding environments, makes caves extremely oligotrophic environments. However, even with high levels of oligotrophy, caves are not by any means barren. It has been shown that caves harbor diverse consortia of microorganisms that use a diverse set of metabolic strategies for survival and contribute to the cave formation in ways that were not initially thought of. To better understand the necessary adaptations for the microbial colonization of caves, a comprehensive bioinformatic approach was conducted using Ensifer as a model genus, and more specifically, by comparison of different Ensifer strains isolated from different environments. We were able to show that cave Ensifer strains diverge from their surface relatives, showing an environment-driven clustering pattern in all the phylogenetic approaches conducted. Furthermore, by combining ANI with multi-gene phylogeny it was clear that the cave strains represent two different putative cave genospecies, highlighting the potential of using these two types of approaches to access the relatedness between Ensifer strains. Regarding the functional genes, the presence of the nopaline transporters sheds light on a possible ancient horizontal gene transfer event, and the identification of structural proteins of different ABC transporters, suggests the ability to utilize different resources inside the cave. The RND efflux pumps also shown an environmental- driven clustering pattern, which could be related to the different compounds and antibiotics present in caves. Also, over-represented biosynthetic gene clusters coding for quorum sensing and energy storage molecule suggests that cave strains rely on cellular communication and on the ability to preserve energy for survival. A complete absence of the CRISPR arrays in the genus Ensifer indicates that these strains are not exposed to intense viral predation. The difference between the unique genes of cave Ensifer strains highlights the fact that different caves can have a unique genomic pool, and therefore different caves strains can have different unique genes, ultimately responsible for the adaptation of Ensifer to that specific cave environment. These findings are insightful to understand how microorganisms adapt to caves, and highlight how further studies are needed to deeply explore the genomic diversity of Ensifer strains inhabiting the cave environment.

Uma das características mais proeminentes das espécies bacterianas pertencentes ao género Ensifer é o seu comportamento predatório contra outras bactérias. Ao longo dos anos, membros deste género foram isolados a partir de uma variedade de ambientes diferentes, alguns com condições extremas para a vida. Um desses extremos é o ambiente subterrâneo, mais especificamente grutas. As particularidades dos ambientes cavernícolas, como a ausência de luz solar e o isolamento geológico relativo aos ambientes circundantes, tornam as grutas ambientes extremamente oligotróficos. No entanto, mesmo com altos níveis de oligotrofia, as grutas não são, de modo algum, estéreis. Tem sido demonstrado que as grutas abrigam diversos microrganismos que usam um conjunto diversificado de estratégias metabólicas para a sobrevivência e contribuem para a formação de grutas de formas que, inicialmente, não lhes era atribuída. Para entender melhor as adaptações necessárias para a colonização microbiana de grutas, foi desenvolvida uma abordagem bioinformática abrangente, utilizando Ensifer como género-modelo e, mais especificamente, pela comparação de diferentes estirpes de Ensifer isoladas em diferentes ambientes. Foi demonstrado que estirpes Ensifer cavernícolas divergem dos seus relativos de superfície, mostrando um padrão de agrupamento similar em todas as análises filogenéticas conduzidas. Adicionalmente, ao combinar o ANI com filogenia usando múltiplos genes, demonstrou-se que as estirpes cavernícolas representam duas genoespécies putativas de grutas, destacando o potencial destes dois tipos de abordagens na avaliação da relação entre estirpes de Ensifer. Relativamente aos genes funcionais, a presença de transportadores de nopalina elucida sobre a ocorrência de um possível evento de transferência horizontal de genes no passado, e a identificação de diferentes proteínas estruturais de vários transportadores ABC sugere a capacidade das estirpes cavernícolas de utilizar diferentes recursos no interior da gruta. As bombas de efluxo RND mostram também um padrão de agrupamento de acordo com o ambiente, que pode estar relacionado com os diferentes compostos e antibióticos presentes nas grutas. O enriquecimento de clusters de genes bio sintéticos que codificam para quorum sensing e para moléculas de armazenamento de energia, sugere que estirpes cavernícolas dependem de comunicação celular e da capacidade de preservar energia para sobreviver. Uma ausência absoluta de elementos CRISPR no género Ensifer indica que estas estirpes não estão expostas a uma predação viral intensa. A diferença entre genes únicos de estirpes de Ensifer cavernícolas, enfatiza o facto de diferentes estirpes poderem ter um pool genómico único, responsável pela adaptação de Ensifer a ambiente cavernícolas específicos, isto é, diferentes grutas. Estes resultados são importantes para compreender as adaptações de microrganismos a grutas e realçam a necessidade de mais estudos para explorar a fundo a diversidade genómica de estirpes de Ensifer que habitam grutas.