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Genome variation in the symbiotic nitrogen-fixing bacterium Sinorhizobium meliloti

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Abstract:

Differences in genome size and gene content are among the most important signatures of microbial adaptation and genome evolution. Here, we investigated the patterns of genome variation among 10 natural strains of the symbiotic nitrogen-fixing bacterium Sinorhizobium meliloti, using pulse field gel electrophoresis (PFGE) and whole-genome microarray hybridizations. Our PFGE analysis showed a genome size range of 6.45-7.01 Mbp, with the greatest variation arising from the pSymA replicon, followed by pSymB; no size difference was evident among the chromosomes. Consistent with this pattern of size differences, 41.2% of open reading frames (ORFs) on pSymA were variably absent/present, followed by 12.7% on pSymB and 3.7% on the chromosome. However, the ORFs that were variably duplicated were more evenly distributed among the three replicons: 11.0%, 16.5%, and 15.3% of ORFs on pSymA, pSymB, and the chromosome, respectively. Among the 10 strains, the percentage of ORFs that were absent ranged from 1.51% to 6.35%, and the percentage of ORFs that were duplicated ranged from 0.27% to 8.56%. Our analyses showed that host plants, geographic origins, multilocus enzyme electrophoretic types, and replicon sizes had little influence on the distribution patterns of absent or duplicated ORFs. The proportions of ORFs that were either variably absent/present or variably duplicated differed greatly among the functional categories, for each of the three replicons as well as for the whole genome. Interestingly, we observed positive correlations among the three replicons in the number of absent ORFs as well as the number of duplicated ORFs, consistent with coordinated gene gains and losses in this important bacterium in nature.

Les différences en ce qui a trait à la taille du génome ou au contenu génique comptent parmi les évidences les plus claires de l’adaptation et de l’évolution du génome chez les microbes. Dans ce travail, les auteurs ont examiné la variation du génome chez 10 souches naturelles de la bactérie fixatrice d’azote Sinorhizobium meliloti par électrophorèse en champs pulsés (PFGE) et par hybridation génomique sur puces à ADN. L’analyse en PFGE a révélé que la taille du génome variait entre 6,45 et 7,01 Mb, la plus grande variation étant observée au sein de réplicon pSymA, suivi du réplicon pSymB. Aucune différence détectable n’a été notée chez les chromosomes. Conformément aux différences de taille observées, 41,2 % des ORF sur pSymA étaient variables quant à leur présence/absence, de même que 12,7 % des ORF sur pSymB et 3,7 % des ORF sur le chromosome. Cependant, la proportion d’ORF qui étaient dupliqués de manière variable était plus également répartie : respectivement 11,0, 16,5 et 15,3 % des ORF sur pSymA, pSymB et le chromosome. Parmi les 10 souches, la proportion des ORF absents variait entre 1,51 et 6,35 %, tandis que les ORF dupliqués variaient entre 0,27 et 8,56 %. Des analyses montrent que les plantes hôtes, l’origine géographique, les types isoenzymatiques à plusieurs locus et la taille des réplicons avaient peu d’influence sur la distribution des ORF absents ou dupliqués. La proportion des ORF qui étaient variables quant à leur présence/absence ou leur duplication différait grandement parmi les catégories fonctionnelles pour chacun des trois réplicons de même que pour le génome entier. De plus, les auteurs ont observé des corrélations positives entre les trois réplicons pour ce qui est du nombre d’ORF absents ou dupliqués, une observation qui est conforme à l’hypothèse de gains/pertes géniques coordonnés chez cette importante espèce bactérienne en nature.

Document Type: Research Article

Publication date: 2009-10-01

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