Diversity of the marine picocyanobacteria Prochlorococcus and Synechococcus assessed by terminal restriction fragment length polymorphisms of 16S-23S rRNA internal transcribed spacer sequences

• PARIS LAVIN ^[1] ; PATRICIA GÓMEZ ^[1] ; BERNARDO GONZÁLE ^[2] ; OSVALDO ULLOA ^[1]
  1. [1] Universidad de Concepción

     Universidad de Concepción

     Comuna de Concepción, Chile

     
  2. [2] Pontificia Universidad Universidad Católica de Chile Center for Advanced Studies in Ecology and Biodiversity, and Millennium Nucleus on Microbial Ecology and Environmental Microbiology Departamento de Genética Molecular y Microbiología
• Localización: Revista chilena de historia natural, ISSN-e 0717-6317, ISSN 0716-078X, Vol. 81, Nº. 4, 2008, págs. 515-531
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Diversidad de las picocianobacterias marinas Prochlorococcus y Synechococcus por medio de polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción terminal en secuencias del espaciador transcrito interno del ARNr 16S - 23S
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  • español

    Con el fin de evaluar la utilización de secuencias del espaciador interno transcrito (ITS) en estudios de genética de población de cianobacterias marinas, se amplificó y clonó la secuencia del gen ARNr 16S junto a la region espadadora 16S-23S ARNr de seis cepas de Prochlorococcus y Synechococcus. Se analizaron los amplicones del ITS por electroforesis en gel de gradiente de desnaturalización (DGGE) y por polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción terminal (T-RFLP). Al aplicar los métodos estándares de estas técnicas, se obtuvo más de una banda o fragmento de restricción terminal (T-RF) por cepa o secuencia clonada. Informes en la literatura han sugerido que estas anomalías podrían ser atribuidas a la formación de estructuras secundarias. Por consiguiente, la estructura secundaria de las secuencias de ITS de las cepas de Prochlorococcus y Synechococcus fue modelada a las diferentes temperaturas que se utilizaron durante la reacción en cadena de polimerasa (PCR). Dicho modelamiento predijo la existencia de bucles que podrían persistir incluso durante la temperatura de extensión. Es probable que estos bucles generen productos de PCR con fragmentos incompletos y hebras simples. En este trabajo se modificó el procedimiento del método de T-RFLP añadiendo el partidor marcado en los últimos dos ciclos. Esto resultó, para la mayoría de los casos, la obtención de un solo fragmento de restricción por ribotipo. La aplicación de esta técnica a una muestra del medio ambiente obtenida frente al norte de Chile, demostró que es posible identificar la presencia, y determinar la abundancia relativa, de varios linajes filogenéticos de los géneros Prochlorococcus y Synechococcus que habitan la zona eufótica. El análisis filogenético de las secuencias de ITS obtenidos por clonación y secuenciación de ADN a partir de la misma muestra confirmó la presencia de los diferentes genotipos. Con la modificación propuesta, el método de T-RFLP debiera ser adecuado para el estudio de la diversidad en poblaciones naturales de cianobacterias, pudiendo transformarse en una importante herramienta para estudiar los factores que influyen en la estructura genética de estos organismos.

  • English

    In order to assess the appropriateness of the use of internal transcribed spacer (ITS) sequences for the study of population genetics of marine cyanobacteria, we amplified and cloned the 16S rRNA gene plus the 16S-23S ITS regions of six strains of Prochlorococcus and Synechococcus. We analyzed them by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and terminal restriction fragment length polymorphisms (T-RFLP). When using the standard application of these techniques, we obtained more than one band or terminal restriction fragment (T-RF) per strain or cloned sequence. Reports in literature have suggested that these anomalies can result from the formation of secondary structures. Secondary structures of the ITS sequences of Prochlorococcus and Synechococcus strains were computationally modelled at the different temperatures that were used during the polymerase chain reaction (PCR). Modelling results predicted the existence of hairpin loops that would still be present at the extensión temperature; it is likely that these loops produced incomplete and single stranded PCR products. We modified the standard T-RFLP procedure by adding the labelled ITS primer in the last two cycles of the PCR reaction; this resulted, in most cases, in only one T-RF per ribotype. Application of this technique to a natural picoplankton community in marine waters off northern Chile, showed that it was possible to identify the presence, and determine the relative abundance, of several phylogenetic lineages within the genera Prochlorococcus and Synechococcus inhabiting the euphotic zone. Phylogenetic analysis of ITS sequences obtained by cloning and sequencing DNA from the same sample confirmed the presence of the different genotypes. With the proposed modification, T-RFLP profiles should therefore be suitable for studying the diversity of natural populations of cyanobacteria, and should become an important tool to study the factors influencing the genetic structure and distribution of these organisms.