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Freel KC, Krueger MC, Farasin J, Brochier-Armanet C, Barbe V, Andrès J, Cholley PE, Dillies MA, Jagla B, Koechler S, Leva Y, Magdelenat G, Plewniak F, Proux C, Coppée JY, Bertin PN, Heipieper HJ, Arsène-Ploetze F. Adaptation in Toxic Environments: Arsenic Genomic Islands in the Bacterial Genus Thiomonas. PLoS One 2015; 10:e0139011. [PMID: 26422469 PMCID: PMC4589449 DOI: 10.1371/journal.pone.0139011] [Citation(s) in RCA: 19] [Impact Index Per Article: 1.9] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/28/2015] [Accepted: 09/07/2015] [Indexed: 11/19/2022] Open
Abstract
Acid mine drainage (AMD) is a highly toxic environment for most living organisms due to the presence of many lethal elements including arsenic (As). Thiomonas (Tm.) bacteria are found ubiquitously in AMD and can withstand these extreme conditions, in part because they are able to oxidize arsenite. In order to further improve our knowledge concerning the adaptive capacities of these bacteria, we sequenced and assembled the genome of six isolates derived from the Carnoulès AMD, and compared them to the genomes of Tm. arsenitoxydans 3As (isolated from the same site) and Tm. intermedia K12 (isolated from a sewage pipe). A detailed analysis of the Tm. sp. CB2 genome revealed various rearrangements had occurred in comparison to what was observed in 3As and K12 and over 20 genomic islands (GEIs) were found in each of these three genomes. We performed a detailed comparison of the two arsenic-related islands found in CB2, carrying the genes required for arsenite oxidation and As resistance, with those found in K12, 3As, and five other Thiomonas strains also isolated from Carnoulès (CB1, CB3, CB6, ACO3 and ACO7). Our results suggest that these arsenic-related islands have evolved differentially in these closely related Thiomonas strains, leading to divergent capacities to survive in As rich environments.
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Affiliation(s)
- Kelle C. Freel
- Laboratoire Génétique Moléculaire, Génomique et Microbiologie, UMR7156, CNRS-Université de Strasbourg, Département Microorganismes, Génomes, Environnement, Equipe Ecophysiologie Moléculaire des Microorganismes, Institut de Botanique, Strasbourg, France
| | - Martin C. Krueger
- Department Environmental Biotechnology, Helmholtz Centre for Environmental Research–UFZ, Leipzig, Germany
| | - Julien Farasin
- Laboratoire Génétique Moléculaire, Génomique et Microbiologie, UMR7156, CNRS-Université de Strasbourg, Département Microorganismes, Génomes, Environnement, Equipe Ecophysiologie Moléculaire des Microorganismes, Institut de Botanique, Strasbourg, France
| | - Céline Brochier-Armanet
- Université de Lyon, Université Lyon 1, CNRS, UMR5558, Laboratoire de Biométrie et Biologie Évolutive, Villeurbanne, France
| | - Valérie Barbe
- Laboratoire de Biologie Moléculaire pour l’Etude des Génomes, (LBioMEG), CEA-IG-Genoscope, Evry, France
| | - Jeremy Andrès
- Laboratoire Génétique Moléculaire, Génomique et Microbiologie, UMR7156, CNRS-Université de Strasbourg, Département Microorganismes, Génomes, Environnement, Equipe Ecophysiologie Moléculaire des Microorganismes, Institut de Botanique, Strasbourg, France
| | - Pierre-Etienne Cholley
- Laboratoire Génétique Moléculaire, Génomique et Microbiologie, UMR7156, CNRS-Université de Strasbourg, Département Microorganismes, Génomes, Environnement, Equipe Ecophysiologie Moléculaire des Microorganismes, Institut de Botanique, Strasbourg, France
| | - Marie-Agnès Dillies
- Plate-Forme Transcriptome et Epigénome, Centre d'Innovation et de Recherche Technologique—Département Génomes et Génétique, Institut Pasteur, Paris, France
| | - Bernd Jagla
- Plate-Forme Transcriptome et Epigénome, Centre d'Innovation et de Recherche Technologique—Département Génomes et Génétique, Institut Pasteur, Paris, France
| | - Sandrine Koechler
- Laboratoire Génétique Moléculaire, Génomique et Microbiologie, UMR7156, CNRS-Université de Strasbourg, Département Microorganismes, Génomes, Environnement, Equipe Ecophysiologie Moléculaire des Microorganismes, Institut de Botanique, Strasbourg, France
| | - Yann Leva
- Université de Haute-Alsace, Biopôle–LVBE, Colmar, France
| | - Ghislaine Magdelenat
- Laboratoire de Biologie Moléculaire pour l’Etude des Génomes, (LBioMEG), CEA-IG-Genoscope, Evry, France
| | - Frédéric Plewniak
- Laboratoire Génétique Moléculaire, Génomique et Microbiologie, UMR7156, CNRS-Université de Strasbourg, Département Microorganismes, Génomes, Environnement, Equipe Ecophysiologie Moléculaire des Microorganismes, Institut de Botanique, Strasbourg, France
| | - Caroline Proux
- Plate-Forme Transcriptome et Epigénome, Centre d'Innovation et de Recherche Technologique—Département Génomes et Génétique, Institut Pasteur, Paris, France
| | - Jean-Yves Coppée
- Plate-Forme Transcriptome et Epigénome, Centre d'Innovation et de Recherche Technologique—Département Génomes et Génétique, Institut Pasteur, Paris, France
| | - Philippe N. Bertin
- Laboratoire Génétique Moléculaire, Génomique et Microbiologie, UMR7156, CNRS-Université de Strasbourg, Département Microorganismes, Génomes, Environnement, Equipe Ecophysiologie Moléculaire des Microorganismes, Institut de Botanique, Strasbourg, France
| | - Hermann J. Heipieper
- Department Environmental Biotechnology, Helmholtz Centre for Environmental Research–UFZ, Leipzig, Germany
| | - Florence Arsène-Ploetze
- Laboratoire Génétique Moléculaire, Génomique et Microbiologie, UMR7156, CNRS-Université de Strasbourg, Département Microorganismes, Génomes, Environnement, Equipe Ecophysiologie Moléculaire des Microorganismes, Institut de Botanique, Strasbourg, France
- * E-mail:
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Koechler S, Arsène-Ploetze F, Brochier-Armanet C, Goulhen-Chollet F, Heinrich-Salmeron A, Jost B, Lièvremont D, Philipps M, Plewniak F, Bertin PN, Lett MC. Constitutive arsenite oxidase expression detected in arsenic-hypertolerant Pseudomonas xanthomarina S11. Res Microbiol 2015; 166:205-14. [PMID: 25753102 DOI: 10.1016/j.resmic.2015.02.010] [Citation(s) in RCA: 25] [Impact Index Per Article: 2.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 11/05/2014] [Revised: 02/05/2015] [Accepted: 02/20/2015] [Indexed: 02/06/2023]
Abstract
Pseudomonas xanthomarina S11 is an arsenite-oxidizing bacterium isolated from an arsenic-contaminated former gold mine in Salsigne, France. This bacterium showed high resistance to arsenite and was able to oxidize arsenite to arsenate at concentrations up to 42.72 mM As[III]. The genome of this strain was sequenced and revealed the presence of three ars clusters. One of them is located on a plasmid and is organized as an "arsenic island" harbouring an aio operon and genes involved in phosphorous metabolism, in addition to the ars genes. Neither the aioXRS genes nor a specific sigma-54-dependent promoter located upstream of aioBA genes, both involved in regulation of arsenite oxidase expression in other arsenite-oxidizing bacteria, could be identified in the genome. This observation is in accordance with the fact that no difference was observed in expression of arsenite oxidase in P. xanthomarina S11, whether or not the strain was grown in the presence of As[III].
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Affiliation(s)
- Sandrine Koechler
- UMR7156 Université de Strasbourg/CNRS Génétique Moléculaire, Génomique, Microbiologie, Département Micro-organismes, Génomes, Environnement, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg Cedex, France.
| | - Florence Arsène-Ploetze
- UMR7156 Université de Strasbourg/CNRS Génétique Moléculaire, Génomique, Microbiologie, Département Micro-organismes, Génomes, Environnement, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg Cedex, France.
| | - Céline Brochier-Armanet
- Université de Lyon, Université Lyon 1, CNRS, UMR5558, Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive, 43 boulevard du 11 Novembre 1918, F-69622 Villeurbanne, France.
| | - Florence Goulhen-Chollet
- UMR7156 Université de Strasbourg/CNRS Génétique Moléculaire, Génomique, Microbiologie, Département Micro-organismes, Génomes, Environnement, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg Cedex, France.
| | - Audrey Heinrich-Salmeron
- UMR7156 Université de Strasbourg/CNRS Génétique Moléculaire, Génomique, Microbiologie, Département Micro-organismes, Génomes, Environnement, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg Cedex, France.
| | - Bernard Jost
- Plateforme Biopuces et séquençage, IGBMC, 1 rue Laurent Fries Parc d'Innovation, 67400 Illkirch, France.
| | - Didier Lièvremont
- UMR7156 Université de Strasbourg/CNRS Génétique Moléculaire, Génomique, Microbiologie, Département Micro-organismes, Génomes, Environnement, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg Cedex, France.
| | - Muriel Philipps
- Plateforme Biopuces et séquençage, IGBMC, 1 rue Laurent Fries Parc d'Innovation, 67400 Illkirch, France.
| | - Frédéric Plewniak
- UMR7156 Université de Strasbourg/CNRS Génétique Moléculaire, Génomique, Microbiologie, Département Micro-organismes, Génomes, Environnement, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg Cedex, France.
| | - Philippe N Bertin
- UMR7156 Université de Strasbourg/CNRS Génétique Moléculaire, Génomique, Microbiologie, Département Micro-organismes, Génomes, Environnement, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg Cedex, France.
| | - Marie-Claire Lett
- UMR7156 Université de Strasbourg/CNRS Génétique Moléculaire, Génomique, Microbiologie, Département Micro-organismes, Génomes, Environnement, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg Cedex, France.
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