Phylogenetic analysis of aquatic microbiomes : Evolution of the brackish microbiome

Abstract

Microorganisms play crucial roles in aquatic environments in determining ecosystemstability and driving the turnover of elements essential to life. Understanding thedistribution and evolution of aquatic microorganisms will help us predict how aquaticecosystems will respond to Global Change, and such understanding can be gained bystudying these processes of the past. In this project, we investigate the evolutionaryrelationship between brackish water bacteria from the Baltic Sea and Caspian Seawith freshwater and marine bacteria, with the goal of understanding how brackishwater bacteria have evolved. 11,276 bacterial metagenome-assembled genomes(MAGs) from seven metagenomic datasets were used to conduct a comparativeanalysis of freshwater, brackish and marine bacteria. When clustering the genomes bypairwise average nucleotide identity (ANI) at the approximate species level (96.5%ANI), the Baltic Sea genomes were more likely to form clusters with the Caspian Seagenomes than with Swedish lakes genomes, even though geographic distancesbetween Swedish lakes and the Baltic Sea are much smaller. Phylogenomic analysisand ancestral state reconstruction showed that approximately half of the brackishMAGs had freshwater ancestors and half had marine ancestors. Phylogeneticdistances were on average shorter to freshwater ancestors, but when subsampling thetree to the same number of freshwater and marine MAG clusters, the distances werenot significantly different. Brackish genomes belonging to Acidimicrobiia,Actinobacteria and Cyanobacteriia tended to originate from freshwater bacteria, whilethose of Alphaproteobacteria and Bacteroidia mainly had evolved from marinebacteria.Mikroorganismer spelar avgörande roller i akvatiska ekosystem där de driverkretsloppen av näringsämnen. En ökad förståelse för hur mikroorganismer anpassarsig till miljöförändringar är viktigt för att förutsäga hur akvatiska ekosystem kommeratt förändras som en konsekvens av global uppvärmning, och sådan förståelse kanuppnås genom att studera tidigare skeenden i evolutionen. I detta projekt undersökervi det evolutionära förhållandet mellan brackvatten-bakterier från Östersjön ochKaspiska havet med sötvattens- och marina bakterier, med målet att förstå hurbrackvatten-bakterier har utvecklats. 11,276 bakteriella arvsmassor somrekonstruerats med metagenomik från sju data-set användes för att utföra enjämförande analys av bakterie-genom från söt-, brack och havsvatten. Klustring avgenomen baserat på parvis genomsnittlig nukleotididentitet (ANI) på ungefärligartnivå (96,5% ANI), grupperade Östersjöns bakterier tillsammans med Kaspiskahavets bakterier mer än med bakterier från svenska sjöar, trots att det geografiskaavståndet mellan svenska sjöar och Östersjön är mycket mindre. Fylogenetisk analysvisade att ungefär hälften av brackvatten arterna hade anfäder från sötvatten ochhälften från havsvatten. De fylogenetiska avstånden var i genomsnitt kortare tillanfaderna i sötvatten, men när man reducerade trädet till att ha samma antal sötvattenoch marina arter var avstånden inte längre signifikant olika. Brackvatten-arter somtillhörde Acidimicrobiia, Actinobacteria och Cyanobacteriia tenderade att härstammafrån sötvattenbakterier, medan de från Alphaproteobacteria och Bacteroidia främsthärstammade från marina bakterier