Genômica comparativa entre espécies do gênero AZOSPIRILLUM, com ênfase nas características exclusivas da bactéria promotora de crescimento vegetal Azospirillum amazonense

Abstract

O gênero Azospirillum é conhecido pela capacidade de promover o crescimento vegetal, principalmente através da fixação biológica do nitrogênio e metabolismo de fitormônios. Apesar de muitos anos de estudos com esses microrganismos, apenas em 2010 o primeiro genoma completo foi disponibilizado, tendo sido selecionada Azospirillum sp. B510 devido a capacidade de atuar endofiticamente. A espécie A. amazonense, isolada de gramíneas de importância econômica como arroz e cana-de-açúcar, possui características que possibilitam sua utilização em solos mais ácidos, além de atuar na metabolização de xenobióticos, onde tem se destacado seu potencial em biorremediação. Com a colaboração do Projeto Genoma Sul nosso grupo realizou um sequenciamento parcial do genoma de A. amazonense. Genes vinculados a fixação de nitrogênio e carbono, quorum sensing, quimiotaxia e resistência bacteriana foram inicialmente caracterizado em um total de 3.319 ORFs anotadas. O presente trabalho realizou uma predição e anotação para a sequência completa dos contigs já depositados para este genoma, onde 5.496 proteínas foram caracterizadas em diferentes bancos de dados de sequências curadas, visando a identificação de características de importância biotecnológica. Devido a recente disponibilização de três outros genomas de Azospirillum, uma análise comparativa foi realizada para identificar e caracterizar sequências conservadas e diferenciais entre as espécies. Por meio da genômica comparativa entre essas bactérias e os vegetais associados foi identificado proteínas possivelmente relacionadas com o metabolismo de fitormônios. Análises detalhadas são apresentadas para proteínas do sistema de secreção do tipo IV e transportadores em geral, elementos genéticos móveis e sistema imune bacteriano. Estudos in vitro utilizando a técnica de RDA foram realizados para a comparação entre os genomas de A. amazonense e A. brasilense, sendo 46 proteínas exclusivas da primeira espécie identificadas e caracterizadas. Os resultados demonstraram que A. amazonense é a espécie mais afastada filogeneticamente entre essas bactérias, possuindo maior similaridade com A. brasilense entre os genomas já sequenciados neste gênero. Foram identificadas proteínas exclusivas de A. amazonense relacionadas ao sistema de secreção do tipo IV, envolvidas na troca de material genético. Essa espécie também apresentou duas regiões com proteínas exclusivas associadas ao sistema imune CRISPR, vinculado ao controle de entrada de DNA/RNA exógeno. Os resultados obtidos auxiliam no entendimento da genética desses microrganismos, servindo como base para experimentos futuros dirigidos à sua utilização como inoculante e na compreensão do seu papel no ambiente em que vive.

The genus Azospirillum is known for its ability to promote plant growth, mainly through biological nitrogen fixation and metabolism of plant hormones. Despite many years of studies with these microorganisms, the first complete genome became available only in 2010, and Azospirillum sp. B510 has been selected due to its ability to act as an endophyte. The A. amazonense specie, isolated from grasses of economic importance such as rice and sugar cane, possesses characteristics that allow its use in acidic soils, besides acting in xenobiotics metabolism, which has highlighted its potential for bioremediation. With the collaboration of Projeto Integrado Genoma Sul, our group conducted a partial sequencing of A. amazonense genome. Genes linked to nitrogen and carbon fixation, quorum sensing, chemotaxis and bacterial resistance were initially characterized in a total of 3,319 annotated ORFs. In the present work, we performed the prediction and annotation for the complete sequence of the contigs already deposited for A. amazonense genome, from which 5,496 proteins were characterized in different curated sequence databases, with the aim to identify characteristics of biotechnological importance. Due to the recent availability of three other genomes of Azospirillum, we performed a comparative analysis to identify conserved sequences and differences between these species. A comparative genomics study between these bacteria and associated plants has been conducted, and proteins possibly associated to plant hormones metabolism were identified. Detailed analyzes are presented for protein secretion system type IV and for transporters in general, for mobile genetic elements and for bacterial immune system. A comparison between A. amazonense and A. brasilense was performed by in vitro studies applying the RDA technique, and 46 proteins unique to the former specie were identified and characterized. The results obtained showed that A. amazonense is the specie more distant phylogenetically among these bacteria, and presenting highest similarity to A. brasilense among the genomes already sequenced in this genus. We identified several unique A. amazonense proteins related to type IV secretion system, which involves exchange of genetic material. This specie also presented two regions with unique proteins associated with the immune system CRISPR, associated to the input control of exogenous DNA/RNA. The results obtained in this study help in understanding the genetics of these microorganisms, serving as a basis for future experiments concerning its use as an inoculant, or in the comprehension of their role in the environment in which they live.