Genome Analysis of Two Lichen Bacteriobionts, Lichenibacterium ramalinae and Lichenibacterium minor: Factors of Virulence and Adaptation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Successful invasion and adaptation of bacteria into lichen symbiosis requires the involvement of a number of physiological mechanisms that regulate interactions between bacteriobionts, mycobionts and algobionts and ensure the optimization of thallus growth and development. The genomes of two lichen bacteriobionts Lichenibacterium ramalinae and L. minor were analysed to identify those factors. No nodulation genes traditional for rhizobia were found. TIGR02302 protein has been suggested to have a similar function. Genes encoding proteins associated with the implementation of planktonic and biofilm phenotypes – flagellins and pilins – have been found. These genes have a high level of similarity with the genes of plant symbiont bacteria. Genetic determinants of virulence factors such as locus B invasion proteins, Integration host factor (IHF), sensory histidine kinases, siderophore receptor and transport proteins and monooxygenase of antibiotic synthesis (Abm) were found in the genomes of the studied bacteria. The listed genes have similarities with those in organisms forming associations of different degrees of association with plants. Based on the data obtained, the assumption of a priority association of bacteria of the Lichenibacteriaceae family with green lichen algae was suggested.

About the authors

T. A. Pankratov

Winogradsky Institute of Microbiology, Research Center of Biotechnology, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: tpankratov@gmail.com
Russia, 119071, Moscow

References

  1. Bi H., Zhang Ch. Integration host factor is required for the induction of acid resistance in Escherichia coli // Curr. Microbiol. 2014. V. 69. P. 218–224. https://doi.org/10.1007/s00284-014-0595-7
  2. Coleman S.A., Minnick M.F. Differential expression of the invasion-associated locus B (ialB) gene of Bartonella bacilliformis in response to environmental cues // Microb. Pathog. 2003. V. 34. P. 179–186. https://doi.org/10.1016/S0882-4010(03)00005-6
  3. Coleman S.A., Minnick M.F. Establishing a direct role for the Bartonella bacilliformis invasion-associated locus B (IalB) protein in human erythrocyte parasitism // Infect. Immun. 2001. V. 69(7). P. 4373–4381.
  4. Dutta A., Batish M., Parashar V. Structural basis of KdpD histidine kinase binding to the second messenger c-di-AMP // J Biol Chem. 2021. V. 296:100771. https:// doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jbc.2021.100771
  5. Erlacher A., Cernava T., Cardinale M., Soh J., Sensen C.W., Grube M., Berg G. Rhizobiales as functional and endosymbiotic members in the lichen symbiosis of Lobaria pulmonaria L. // Front. Microbiol. 2015. V 6: article 53. https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00053
  6. Gallego V., García M.T., Ventosa A. Methylobacterium variabile sp. nov., a methylotrophic bacterium isolated from an aquatic environment // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2005. V. 55(4). P. 1429–1433. https://doi.org/10.1099/ijs.0.63597-0
  7. Gondim A.C.S., Guimarães W.G., Sousa E.H.S. Heme-based gas sensors in nature and their chemical and biotechnological applications // BioChem. 2022. V. 2. P. 43–63. https://doi.org/10.3390/biochem2010004
  8. Grocholski T., Oja T., Humphrey L., Mäntsälä P., Niemi J., Metsä-Ketelä M. Characterization of the two-component monooxygenase system AlnT/AlnH reveals early timing of quinone formation in alnumycin biosynthesis // J. Bacteriol. 2012. V. 194(11). P. 2829–2836. https://doi.org/10.1128/JB.00228-12
  9. Gu Z., Liu Y., Wang N., Jiao N., Shen L., Liu H., Zhou Y., Liu X., Li J., Liang J., Busse H-J. Chelatococcus reniformis sp. nov., isolated from a glacier // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2016. V. 66(11). P. 4525–4529. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.001384
  10. Hall T.A. BioEdit: a user-friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT // Nucl. Acids. Symp. 1999. V. 41. P. 95–98.
  11. Hodkinson B.P., Gottel N.R., Schadt C.W., Lutzoni F. Photoautotrophic symbiont and geography are major factors affecting highly structured and diverse bacterial communities in the lichen microbiome // Environ. Microbiol. 2012 V. 14(1). P. 147–161. https://doi.org/10.1111/j.1462-2920.2011.02560.x
  12. Hug I., Deshpande S., Sprecher K.S., Pfohl T., Jenal U. Second messenger–mediated tactile response by a bacterial rotary motor // Science. 2017. V. 358. P. 531–534. https://doi.org/10.1126/science.aan5353
  13. Jourand Ph., Giraud E., Béna G., Sy A., Willems A., Gillis M., Dreyfus B., de Lajudie Ph. Methylobacterium nodulans sp. nov., for a group of aerobic, facultatively methylotrophic, legume root-nodule-forming and nitrogen-fixing bacteria. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2004. V. 54. P. 2269–2273. https://doi.org/10.1099/ijs.0.02902-0
  14. Kämpfer P., Scholz H.C., Lodders N., Loncaric I., Whatmore A.M., BusseH.-J. Camelimonas abortus sp. nov., isolated from placental tissue of cattle // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2012. P. 62. P. 1117–1120. https://doi.org/10.1099/ijs.0.034389-0
  15. Kumar S., Stecher G., Li M., Knyaz C., Tamura K. MEGA X: Molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms // Molecular Biology and Evolution. 2018. V. 35. P. 1547-1549. https://doi.org/10.1093/molbev/msy096
  16. Lee Y.M., Kim E.H., Lee H.K., Hong S.G. Biodiversity and physiological characteristics of Antarctic and Arctic lichens-associated bacteria // World J. Microbiol. Biotechnol. 2014. V. 10. P. 2711–2721. https://doi.org/10.1007/s11274-014-1695-z
  17. Li L., Osman G., Salam N., Mohamed O.A., Jiao J., Ma J., Asem M.D., Xiao M., Li W.-J. Limoniibacter endophyticus gen. nov., sp. nov., an alphaproteobacterium isolated from the roots of Limonium otolepis // Arch. Microbiol. 2018. V. 200. P. 663–670. https://doi.org/10.1007/s00203-017-1472-0
  18. Madhaiyan M., Poonguzhali S. Methylobacterium pseudosasicola sp. nov. and Methylobacterium phyllostachyos sp. nov., isolated from bamboo leaf surfaces // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2014. V. 64. P. 2376–2384. https://doi.org/10.1099/ijs.0.057232-0
  19. Ming Y-Z., Liu L., Xian W-D., Jiao J-Y., Liu Z-T., Li M-M., Xiao M., Li W-J. Rhabdaerophilum calidifontis gen. nov., sp. nov., a novel bacterium isolated from a hot spring, and proposal of Rhabdaerophilaceae fam. nov. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2020. V. 70(4). P. 2298–2304. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.004035
  20. Noh H.J., Baek K., Hwang C.Y., Shin S.C., Hong S.G., Lee Y.M. Lichenihabitans psoromatis gen. nov., sp. nov., a member of a novel lineage (Lichenihabitantaceae fam. nov.) within the order of Rhizobiales isolated from Antarctic lichen // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2019. V. 69. P. 3837–3842. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.003695
  21. Noh H.J., Lee Y.M., Park C.H., Lee H.K., Cho J.C., Hong S.G. Microbiome in Cladonia squamosa is vertically stratified according to microclimatic conditions // Front. Microbiol. 2020. V. 11:268. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.00268
  22. Noh H.J., Park Y., Hong S.G., Lee Y.M. Diversity and physiological characteristics of Antarctic lichens-associated bacteria // Microorganisms. 2021. V. 9(3):607. https://doi.org/10.3390/microorganisms9030607
  23. Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M. et al. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit // Bioinformatics. 2012. V. 28. P. 1166–1167. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bts091
  24. Pankratov T.A. Acidobacteria in microbial communities of the bog and tundra lichens // Microbiology (Mikrobiologiya). 2012. V. 81(1). P. 51–58. https://doi.org/10.1134/S0026261711060166
  25. Pankratov T.A., Grouzdev D.S., Patutina E.O. et al. Lichenibacterium ramalinae gen. nov, sp. nov., Lichenibacterium minor sp. nov., the first endophytic, beta-carotene producing bacterial representatives from lichen thalli and the proposal of the new family Lichenibacteriaceae within the order Rhizobiales // Antonie van Leeuwenhoek. 2020. V. 113(4). P. 477–489. https://doi.org/10.1007/s10482-019-01357-6
  26. Pankratov T.A., Nikitin P.A., Patutina E.O. Genome analysis of two lichen bacteriobionts, Lichenibacterium ramalinae and Lichenibacterium minor: toxin‒antitoxin systems and secretion proteins // Microbiology. 2022. V. 91(2). P. 160–172. https://doi.org/10.1134/S0026261722020096
  27. Patkar R.N., Naqvi N.I. Fungal manipulation of hormone-regulated plant defense // PLoS Pathog. 2017. V. 13(6):e1006334. https://doi.org/10.1111/jpy.13032
  28. Pichler G., Stöggl W., Carniel F.C., Muggia L., Ametrano C.C., Holzinger A., Tretiach M., Kranner I. Abundance and extracellular release of phytohormones in aero-terrestrial microalgae (Trebouxiophyceae, Chlorophyta) as a potential chemical signaling source // J. Phycol. 2020. V. 56(5). P. 1295–1307. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1006334
  29. Rad V., Simões-Araújo J.L., Leite J., Passos S.R., Martins L.M.V., Xavier G.R., Rumjanek N.G., Baldani J.I., Zilli J.A. Microvirga vignae sp. nov., a root nodule symbiotic bacterium isolated from cowpea grown in semi-arid Brazil // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2014. V. 64. P. 725–730. https://doi.org/10.1099/ijs.0.053082-0
  30. Sato S., Siarot L., Matsuoka J., Aono T., Oyaizu H. An Azorhizobium caulinodans ORS571 mutant with deletion of a gene encoding a TIGR02302 family protein overproduces exopolysaccharides and is defective in infection into plant host cells // Soil Sci. Plant. Nutr. 2016. V. 62(4). P. 392–398. https://doi.org/10.1080/00380768.2016.1200954
  31. Skipper C., Ferrieri P., Cavert P. Bacteremia and central line infection caused by Bosea thiooxidans. IDCases. 2020. 19:e00676. https://doi.org/10.1016/j.idcr.2019.e00676
  32. Stonehouse E., Kovacikova G., Taylor R.K., Skorupski K. Integration host factor positively regulates virulence gene expression in Vibrio cholerae // J. Bacteriol. 2008. V. 190(13). P. 4736–4748 https://doi.org/10.1128/JB.00089-08
  33. Sun L., Liu H., Chen W., Huang K., Lyu W., Gao X. Alsobacter soli sp. nov., a novel bacterium isolated from paddy soil, emended description of the genus Alsobacter and description of the family Alsobacteraceae fam. nov. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2018. V. 68. P. 3902–3907. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.003088
  34. Tani A., Sahin N. Methylobacterium haplocladii sp. nov. and Methylobacterium brachythecii sp. nov., isolated from bryophytes. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2013. V. 63. P. 3287–3292. https://doi.org/10.1099/ijs.0.048215-0
  35. Tani A., Sahin N., Kimbara K. Methylobacterium oxalidis sp. nov., isolated from leaves of Oxalis corniculata // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2012. V. 62. P. 1647–1652. https://doi.org/10.1099/ijs.0.033019-0
  36. Tarakhovskaya E.R., Maslov Yu.I., Shishova M.F. Phytohormones in Algae // Russ. J. Plant. Physl.+. 2007. V. 54(2). P. 163–170. https://doi.org/10.1134/S1021443707020021
  37. Tatusov R.L., Koonin E.V., Lipman D.J. A genomic perspective on protein families // Science. 1997. V. 278(5338). P. 631–637. https://doi.org/10.1126/science.278.5338.631
  38. Trifinopoulos J., Nguyen L.T., von Haeseler A., Minh B.Q. W-IQ-TREE: a fast online phylogenetic tool for maximum likelihood analysis // Nucl. Acids Res. 2016. V. 44. P. 232–235. https://doi.org/10.1093/nar/gkw256
  39. Ueki A., Kodama Y., Kaku N., Shiromura T., Satoh A., Watanabe K., Ueki K. Rhizomicrobium palustre gen. nov., sp. nov., a facultatively anaerobic, fermentative stalked bacterium in the class Alphaproteobacteria isolated from rice plant roots // J. Gen. Appl. Microbiol. 2010. V. 56(3). P. 193–203. https://doi.org/10.2323/jgam.56.193
  40. Urakami T., Sasaki J., Suzuki K-I., Komagata K. Characterization and description of Hyphomicrobium denitrificans sp. nov. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 1995. V. 45(3). P. 528–532. https://doi.org/10.1099/00207713-45-3-528
  41. Van Aken B., Peres C.M., Doty S.L., Yoon J.M., Schnoor J.L. Methylobacterium populi sp. nov., a novel aerobic, pink-pigmented, facultatively methylotrophic, methane-utilizing bacterium isolated from poplar trees (Populus deltoides×nigra DN34) // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 1995. V. 54(4). P. 1191–1196. https://doi.org/10.1099/ijs.0.02796-0
  42. Verma M., Kumar M., Dadhwal M., Kaur J., Lal R. Devosia albogilva sp. nov. and Devosia crocina sp. nov., isolated from a hexachlorocyclohexane dump site // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2009. V. 59(4). P. 795–799. https://doi.org/10.1099/ijs.0.005447-0
  43. Zhang L., Song M., Cao Q., Wu Sh., Zhao Y., Huang Y.-W., Chen K., Li S.-P., Xia Z.-Y., Jiang J.-D. Camelimonas fluminis sp. nov., a cyhalothrin-degrading bacterium isolated from river water // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2015. V. 65. P. 3109–3114. https://doi.org/10.1099/ijs.0.000384

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (345KB)
Indexing metadata
3.

Download (400KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Т.А. Панкратов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».