Plasmid Diversity in Rhodobacterales: Classification, Compatibility and Horizontal Gene Transfer

Birmes, Lukas

doi:10.24355/dbbs.084-202408220735-0

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Plasmid Diversity in Rhodobacterales : Classification, Compatibility and Horizontal Gene Transfer

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German

The PhD thesis was focused on three projects that explored the interaction between low copy number (LCN) plasmids (RepC_soli, RepABC) and their impact on the adaptability of Rhodobacterales for denitrification.

A new replicon type, RepC_soli, has been identified in Rhodobacterales, which has solitary replication and partitioning genes. These plasmids are less common than plasmids of the RepA, RepB, RepABC, or DnaA-like type, and are present in specific lineages such as the genus Phaeobacter. They exhibit considerable stability, despite their non-canonical backbone, and represent volatile plasmids in contrast to stable chromids. The doctoral thesis showed that RepC_soli plasmids typically harbor type IV secretion systems (T4SSs), are promiscuous and mediate the horizontal transfer of large genetic units. Therefore, they can potentially transfer important genetic material, such as the flagellar or photosynthesis gene cluster, which is crucial for the lifestyle of many roseobacters. The discovery of RepC_soli plasmids sheds light on the diversity and functional role of plasmids in the evolution and ecology of Rhodobacterales, which has implications for the understanding of how these organisms adapt to different environments.

LCN plasmids play a significant role in the evolution of Rhodobacterales, and the current thesis has shed light on their distribution and mobilization. The tripartite replication system is a core feature of the most abundant LCN plasmids, namely the RepA, RepB, DnaA-like, and RepABC type. A new classification system has identified 28 plasmid compatibility groups, with RepABC plasmids being the most diverse and abundant type. Rhodobacterales mainly use RepABC plasmids for horizontal gene transfer, and most T4SS are found on this plasmid type. An experimental compatibility assay confirmed that similar RepABC systems of the same compatibility group cannot coexist in a single cell, while dissimilar modules belonging to a different compatibility group are stably maintained. The genetic diversity of LCN plasmids from Rhodobacterales and their ability to be fully operational in different genera and even replicate in ´Rhizobiales´ (Hyphomicrobiales), provides an ideal prerequisite for rapid marine adaptations. Experimental validation of the phylogeny-based classification system in this thesis will offer precise and unequivocal categorization of new RepABC-type plasmids, and the knowledge gained will have implications for understanding the evolution of Rhodobacterales.

Denitrification is an important process for the reduction of oxidized nitrogen in the marine environment, in which Alphaproteobacteria play an integral role. Rhodobacterales exhibit clade-specific patterns in the distribution of denitrification genes, which are often acquired through horizontal gene transfer. Denitrification uses four enzymes encoded by operons and can be used in a modular manner as required. Plasmids, mainly of the RepABC or RepA type, mediate the conjugative transfer of single denitrification operons through the T4SS and are thus crucial for the adaption and evolution of Rhodobacterales. The horizontal transfer of operons confirms interdependence and mutual benefits among different bacterial species. Experimental conjugation of the nitrate reductase plasmid from Marinovum algicola DG898 complemented the denitrification pathway in P. inhibens DSM 17395, highlighting the significance of plasmids in roseobacter's evolution. This genetic recruitment allowed Phaeobacter to metabolically switch from obligate oxidative phosphorylation to facultative anaerobic respiration, which provides a competitive advantage to survive in marine environments with oxygen fluctuations. These findings not only provide insight into gene transfer and evolution, but also have implications for understanding of the nitrogen cycle in the environment.

Die Dissertation basiert auf drei Projekte, die die Interaktion zwischen low copy number (LCN) Plasmiden (RepC_soli, RepABC) und ihren Einfluss auf die Anpassung von Rhodobacterales an die Denitrifikation aufzeigen.

Ein neuer Replikontyp namens RepC_soli wurde in Rhodobacterales gefunden, der über eine solitäre Replikations- und Partitions-Genstruktur verfügt. Diese Plasmide sind im Vergleich zu anderen Plasmiden wie RepA, RepB, RepABC und DnaA-like seltener und in einzelnen Stämmen wie Phaeobacter zu finden. Trotz ihrer nichtkanonischen Rückgratstruktur zeigen sie eine beträchtliche Stabilität und sind wahrscheinlich flüchtige Plasmide im Gegensatz zu stabilen Chromiden. Die Studie zeigt, dass RepC_soli-Plasmide universell Typ IV Sekretionssysteme (T4SS) aufweisen und promiskuitiv sein können, indem sie den horizontalen Gentransfer (HGT) großer genetischer Einheiten vermitteln. Sie haben die Fähigkeit, u.a. Flagellen- oder Photosynthesegencluster zu übertragen, die für den Lebensstil von Roseobactern wichtig sind. RepC_soli-Plasmide enthüllen die Vielfalt und Rolle von Plasmiden in der Evolution und Ökologie von Rhodobacterales, und beeinflussen somit das Verständnis der Anpassung dieser Organismen an verschiedene Umgebungen.

LCN-Plasmide spielen eine bedeutende Rolle in der Evolution von Rhodobacterales, vor allem ihre Verteilung und Mobilisierung. Das tripartite Replikationssystem ist ein Kernmerkmal der meisten häufigen LCN-Plasmide, einschließlich RepA, RepB, DnaA-like und RepABC-Plasmide. Mit einem neuen Klassifizierungssystem wurden 28 Kompatibilitätsgruppen identifiziert, wobei RepABC-Plasmide die vielfältigste und häufigste Art sind. Rhodobacterales nutzen überwiegend RepABC-Plasmide für den Konjugations-vermittelten HGT, wobei ebenfalls die meisten T4SS auf diesem Plasmidtyp zu finden sind. Ein Kompatibilitätstest hat gezeigt, dass klonierte RepABC-Systeme, die phylogenetisch sehr ähnlich sind, nicht in einer einzelnen Zelle koexistieren können, während solche, die unterschiedlich sind, dazu in der Lage sind. Die genetische Vielfalt von LCN-Plasmiden und ihre Fähigkeit, auch in der Gattung `Rhizobiales´ (Hyphomicrobiales) voll funktionsfähig zu sein, bieten ideale Bedingungen für schnelle marine Anpassungen. Das verifizierte Klassifizierungssystem erlaubt eine präzise und eindeutige Kategorisierung neuer RepABC-Plasmide, was Auswirkungen auf das Verständnis der Evolution von Rhodobacterales haben wird.

Alphaproteobakterien sind weit verbreitet und spielen eine wichtige Rolle bei der Denitrifikation, einem Prozess zur Reduzierung von oxidiertem Stickstoff in der Umwelt. Rhodobacterales zeigen kladenspezifische Muster in der Verteilung von Denitrifikationsgenen, die oft durch horizontalen Gentransfer ausgetauscht werden. Die komplette Denitrifikation von Nitrat zu Stickstoff beruht auf vier Enzymen, deren Gene in Operons kodiert sind und die je nach Bedarf modular eingesetzt werden. Plasmide vom RepABC und RepA Typ spielen ein wichtige Rolle für die Evolution von Rhodobacterales und sind an der horizontalen Verbreitung einzelner Denitrifikationsgene über die Konjugation beteiligt. Die ungleichmäßige Verbreitung der vier Enzyme für die Denitrifikation in Rhodobacterales läßt sich durch massiven horizontalen Operon Transfer (HOT) erklären. Durch die experimentelle Konjugation mit einem Nitrat-Reduktase Plasmid aus Marinovum algicola DG898 konnte der Denitrifikationsweg von P. inhibens DSM 17395 komplettiert werden. Dies ermöglichte es dem Empfängerorganismus Phaeobacter seinen Stoffwechsel von oxidativer Phosphorylierung auf anaerobe Atmung umzustellen, was in marinen Umgebungen mit Sauerstoffschwankungen von großem Vorteil sein kann. Die neuen Erkenntnisse bieten nicht nur Einblicke in den Gentransfer und die Evolution, sondern helfen auch die Organisation des Stickstoffkreislaufs in der Umwelt zu verstehen.