Characterization of plasmids of metalotolerant bacteria from Antarctica and determination of their role in adaptation to environmental conditions

Celem pracy doktorskiej było: (i) poznanie różnorodności bakterii zasiedlających trzy różnorodne siedliska znajdujące się na Wyspie Króla Jerzego (Antarktyka), (ii) identyfikacja i określenie różnorodności plazmidów antarktycznych bakterii, (iii) zbadanie stopnia podobieństwa zidentyfikowanych plazmidów z replikonami pochodzącymi z innych środowisk i określenie skali horyzontalnego transferu genów w środowisku antarktycznym oraz (iv) wyznaczenie i analiza plazmidowych genów o potencjalnym znaczeniu adaptacyjnym. Próbki gleby pobrano w trzech miejscach zlokalizowanych na Wyspie Króla Jerzego w Antarktyce. Każde z miejsc charakteryzowało się odmienną presją zoo- i antropogeniczną. Badania mikrobiologiczne pozwoliły na wyizolowanie z tych próbek 216 szczepów bakteryjnych. Każdy ze szczepów przypisano do rodzaju, z wykorzystaniem technik biologii molekularnej. Analizy fizjologiczne wykazały, że wszystkie szczepy to bakterie psychrotolerancyjne, zdolne do funkcjonowania w niskich temperaturach. Ponadto, aż 75% szczepów okazało się być metalotolerantami. Kolejnym etapem była identyfikacja i charakterystyka plazmidów znajdujących się w komórkach analizowanych szczepów. W trakcie badań podjęto próby izolacji plazmidów z każdego ze szczepów. W wyniku analiz zidentyfikowano aż 174 nowe plazmidy – ustalono ich sekwencje i zdeponowano je w bazie danych GenBank (NCBI). Wcześniej wykonano również ręczną adnotację każdego z replikonów. Ostatnim etapem badań była analiza funkcjonalna wybranych plazmidów oraz genów zidentyfikowanych w ich obrębie. Wybrano po jednym rodzaju bakterii gramujemnych i gramdodatnich. Były to rodzaje Pseudomonas i Arthrobacter, czyli takie, które są szeroko rozpowszechnione w środowiskach zimnych, a dodatkowo szczepy z tych rodzajów mają zastosowanie w biotechnologii. W toku badań okazało się, że zidentyfikowane w antarktycznych szczepach plazmidy znacznie różnią się pod względem sekwencji od wcześniej zidentyfikowanych plazmidów bakterii z tych samych rodzajów. Jednocześnie, replikony te wykazują pewne podobieństwo między sobą, co jest dowodem na występowanie zjawiska horyzontalnego transferu genów w tym środowisku. Kolejnym potwierdzeniem tego zjawiska było zaobserwowanie występowania tych samych plazmidów w różnych konfiguracjach w komórkach różnych gospodarzy. Wybrane plazmidowe geny (np. związane z opornością na metale czy też tworzeniem biofilmu), o potencjalnym znaczeniu adaptacyjnym, poddano analizom funkcjonalnym. W toku tych analiz zidentyfikowano m.in. plazmid posiadający temperaturo-wrażliwy system replikacyjny.

The aim of the Ph.D. thesis was to: (i) analyze the diversity of bacteria inhabiting three different habitats on King George Island (Antarctica), (ii) identify and determine the diversity of Antarctic bacterial plasmids, (iii) investigate the degree of similarity of the identified plasmids with replicons from other environments and the scale of horizontal gene transfer in the Antarctic environment and (iv) identify and analyze selected plasmids’ genes of potential adaptive role. Soil samples were collected at three sites located on King George Island in Antarctica. Each site was characterized by a different zoogenic and anthropogenic pressure. In total 216 bacterial strains from these samples were isolated. Each strain was assigned to a genus using molecular biology techniques. All of them were subjected to a series of physiological tests showing that these are psychrotolerants. In addition, as many as 75% of the strains were metallotolerant bacteria. In the next stage of the researches an identification and characterization of plasmids of the analyzed strains was performed. During the analysis, various plasmid-isolation techniques were used. As a result, as many as 174 novel plasmids were identified - their sequences were determined and deposited in the GenBank (NCBI) database. Previously, each replicon was also manually annotated. The last stage of the researches was the functional analysis of selected plasmids and their genes. One genus representing gram-negative and one for gram-positive bacteria was selected. These were the Pseudomonas and Arthrobacter genera, i.e. bacteria that are common in permanently cold regions and additionally they exhibit significant biotechnological potential. The researches revealed that the plasmids identified in Antarctic strains are significantly genetically different from the previously identified bacterial plasmids of the same genera. At the same time, these replicons showed relevant similarities amongst each other, which proved the occurrence of the phenomenon of horizontal gene transfer in this environment. Another confirmation for this was an identification of identical plasmids in different configurations in various hosts. Selected plasmids’ genes (i.e. conferring resistance to metals, responsible for biofilm forming) of potential adaptive importance were subjected to functional analyzes. In the course of these analyses a plasmid carrying temperature-sensitive replication system was found.