An integrated multi-layered analysis on Desmonostoc

Abstract

Cyanobacteria (phylum Cyanobacteria) are gram-negative bacteria, capable of performing oxygenic photosynthesis. These microorganisms form a phylogenetically coherent group despite presenting a great morphological diversity. Although the taxonomic classification of cyanobacteria was for a long time based primarily on morphological characters the application of other techniques, especially in the last decades, contributed to a better resolution of the cyanobacteria systematics, leading to a revision of the phylum. Accordingly, polyphasic approaches applied to the study of strains described as belonging to the genus Nostoc have indicated a polyphyletic origin of this genus, when considered its description based solely on morphological criteria. Thus, the taxonomy and systematics of strains closely related to the genus Nostoc have been reviewed leading to the description of new genera. Although the genus Desmonostoc occurs as one new genera, relatively few studies have been carried out to elucidate the phylogenetic and morphological relationships among its species, as well as between members of this genus and those closely related. In fact, only one study performed the characterization of a Desmonostoc strain, culminating with the description of the species D. salinum whereas another described the possible biotechnological application of members of this genus. In this context, the present study investigated the diversity within the genus Desmonostoc, based on morphological, molecular, metabolic and physiological characters. Although the last character is a non-usual tool used in the polyphasic approach it was efficient in the characterization of the genus Desmonostoc performed here. Our phylogenetic analysis for the 16S rRNA gene put all strains used here in the D1 cluster of Desmonostoc and demonstrate the possible emergence of two novel sub-clusters. It was also possible to observe that the nitrogenase genes, nifD and nifH, exhibits different evolutionary histories within the Desmonostoc strains. Collectively metabolic and physiological data, coupled with the morphometric ones are, in general, in good agreement with the separation based on the 16S phylogeny. Furthermore, it provide important information on the diversity of Desmonostoc lineages collected from different brazilian biomes by revealing that they are cosmopolitan strains, acclimatized to low luminous intensities, with great metabolic diversity within the same genus and with biotechnological potential.

As cianobactérias (filo Cyanobacteria) caracterizam-se como bactérias gram- negativas, capazes de realizar fotossíntese oxigênica. Esses micro- organismos formam um grupo filogeneticamente coerente e apresentam, ainda, grande diversidade morfológica. Cumpre mencionar que a classificação taxonômica de cianobactérias foi, por muito tempo, baseada em caracteres morfológicos pouco precisos. Especialmente na última década, a aplicação de outras técnicas contribuiu para uma melhor resolução da sistemática desse filo, levando a uma revisão do grupo. Abordagens polifásicas, aplicadas aos estudos de linhagens descritas como pertencentes ao gênero Nostoc, têm indicado uma provável origem polifilética desse gênero, quando considerada sua descrição baseada em critérios morfológicos. Assim, a taxonomia e sistemática de linhagens próximas ao gênero Nostoc tem sido revisada levando à proposição de novos gêneros, dentre os quais destaca-se o gênero Desmonostoc. No entanto, poucos estudos foram realizados com vistas à elucidação das relações filogenéticas e morfológicas dentre suas espécies, bem como entre membros deste gênero e os proximamente relacionados. Registre-se que, até o momento, apenas um trabalho realizou a caracterização de uma linhagem de Desmonostoc, culminando com a descrição da espécie D. salinum. Ademais, apenas um trabalho descreve a possível aplicação biotecnológica de membros deste gênero. Neste contexto, o presente estudo teve como objetivos avaliar a diversidade do gênero Desmonostoc, baseando-se em caracteres morfológicos, moleculares, metabólicos e fisiológicos. Cabe mencionar que embora esse último caráter seja uma ferramenta pouco utilizada na abordagem polifásica, o mesmo se mostrou eficiente na caracterização e separação de linhagens do gênero Desmonostoc. As análises filogenéticas para o gene que codifica para o rRNA 16S indicaram o agrupamento de todas linhagens desse trabalho no cluster D1, indicando ainda a possível emergência de dois sub-cluster dentro do cluster D1. Também foi possível observar que os genes que codificam para o complexo da Nitrogenase, nifD e nifH, apresentam diferentes histórias evolutivas. Tomados em conjunto, dados metabólicos e fisiológicos, juntamente com morfométricos corroboram, no geral, com a separação observada na filogenia baseada em sequências do rRNA 16S. Ademais, tais resultados forneceram informações sobre a diversidade de linhagens coletadas em diferentes biomas brasileiros, revelando que as mesmas se mostram como linhagens cosmopolitas, aclimatadas a baixas intensidades luminosas, com uma grande diversidade metabólica dentro do mesmo gênero e com potencial biotecnológico.