Comparative genomic analysis of Rahnella sp. PAMC25617 isolated from cryoconite reveals a glutathione-dependent formaldehyde detoxification pathway.

چکیده اصلی

Rahnella species are environmentally versatile bacteria widely distributed in terrestrial and aquatic ecosystems; however, the genomic basis of formaldehyde detoxification and stress adaptation in cryoconite-associated Rahnella remains poorly understood. In this study, we performed phylogenomic, comparative genomic, pan-genomic, stress-response, and functional analyses of Rahnella sp. PAMC25617 isolated from polar cryoconite to investigate glutathione (GSH)-dependent formaldehyde detoxification and its evolutionary conservation. Genome-based phylogeny, average nucleotide identity (ANI), and digital DNA-DNA hybridization (dDDH) analyses demonstrated that PAMC25617 represents a distinct genomic lineage within the genus Rahnella. The draft genome comprised 5.33 Mb with a GC content of 52% and encoded multiple genes associated with formaldehyde detoxification and one-carbon metabolism, including frmA, yeiG, yeiP, yeiR, and a putative formate dehydrogenase gene cluster. Comparative genomic analyses further showed that these detoxification genes were consistently associated with GSH transport (gsiA-D), redox-associated (frdA-D), and regulatory (fnr) genes, suggesting coordinated roles in detoxification and redox homeostasis. Comparative stress-response gene profiling across 121 Rahnella genomes further revealed widespread conservation of oxidative stress defense systems, including oxidoreductases, aldehyde dehydrogenases, GSH-associated enzymes, thioredoxin, catalase, and molecular chaperones. Notably, PAMC25617 possessed an enriched repertoire of oxidative stress and detoxification-related genes, indicating enhanced stress adaptation potential in cold and chemically challenging environments. Pan-genome analysis indicated a highly diverse and open pan-genome structure with a low Heap's law exponent (γ = 0.336), reflecting ongoing genome diversification and ecological adaptation. Multiple sequence alignment (MSA) further demonstrated strong conservation of catalytic motifs and active-site residues in FrmA and YeiG among phylogenetically diverse bacteria. Physiological assays showed that PAMC25617 exhibited tolerance to formaldehyde stress under liquid culture conditions. These findings suggest that R. sp. PAMC25617 employs an integrated GSH-dependent detoxification and oxidative stress response system that may facilitate survival and adaptation in extreme polar environments.

ترجمه فارسی چکیده

رahnلا گونه‌ای از باکتری‌های محیطی وسیع‌الکاربرد در اکوسیستم‌های خشکی و آبی است، اما مبنای ژنومی سم‌زدایی فرمالدهید و سازگاری با استرس در Rahnella مرتبط با کریوکونیت هنوز به درستی شناخته نشده است. در این مطالعه، ما تحلیل‌های فیلوژنومیک، ژنومیک مقایسه‌ای، پان‌ژنومیک، پاسخ به استرس و عملکردی از Rahnella sp. PAMC25617 جدا شده از کریوکونیت قطبی برای بررسی سم‌زدایی فرمالدهید وابسته به گلوتاتیون (GSH) و حفظ تکاملی آن انجام دادیم. تحلیل‌های مبتنی بر ژنوم نشان دادند که PAMC25617 یک خط ژنومیک متمایز در سرده Rahnella است. ژنوم پیش‌نویس ۵.۳۳ مگابایت با محتوای GC 52 درصد و کدگذاری چندین ژن مرتبط با سم‌زدایی فرمالدهید و متابولیسم کربن، از جمله frmA، yeiG، yeiP، yeiR و یک کلاستر فرضی ژن دی‌هیدروژناز فرمات، دارد. تحلیل‌های ژنومیک مقایسه‌ای نشان دادند که این ژن‌های سم‌زدایی همیشه با ژن‌های حمل GSH (gsiA-D)، مرتبط با ردوکس (frdA-D) و تنظیمی (fnr) همراه هستند که نقش‌های هماهنگی در سم‌زدایی و تعادل ردوکس را نشان می‌دهند. پروفایل ژن‌های پاسخ به استرس مقایسه‌ای در ۱۲۱ ژنوم Rahnella نشان‌دهنده حفظ گسترده سیستم‌های دفاعی در برابر استرس اکسیداتیو، از جمله اکسیدوردازها، آلدهید دهیدروژنازها، آنزیم‌های مرتبط با GSH، تیوریدوکسین، کاتالاز و مولکولی چاپرها بود. به طور خاص، PAMC25617 دارای مجموعه‌ای غنی از ژن‌های مرتبط با استرس اکسیداتیو و سم‌زدایی بود که سازگاری استرس بالاتر را در محیط‌های سرد و چالش‌های شیمیایی نشان می‌داد. تحلیل پان‌ژنومیک ساختاری باز و متنوع با توانایی کم (γ = 0.336) را نشان داد که نشان‌دهنده تکامل مداوم ژنوم و سازگاری اکولوژیکی است. الگوریتم‌های متعدد توالی نشان‌دهنده حفظ قوی مولفه‌های کاتالیتیک و باقیمانده‌های سایت فعال در FrmA و YeiG در باکتری‌های متنوع فیلوژنتیکی بود. آزمون‌های فیزیولوژیک نشان دادند که PAMC25617 در شرایط کشت مایع به استرس فرمالدهید مقاوم است. این یافته‌ها نشان می‌دهند که R. sp. PAMC25617 از یک سیستم سم‌زدایی و پاسخ به استرس اکسیداتیو یکپارچه وابسته به GSH استفاده می‌کند که ممکن است بتواند در محیط‌های قطبی افراطی برای بقا و سازگاری کمک کند.

متن کامل اصلی