Genetic structure of environmental Bacillus cereus sensu lato strains isolated from Northeastern Poland

Abstract

Przedstawiciele B. cereus s.l. występują powszechnie w środowisku naturalnym i wywierają ogromny wpływ na zdrowie człowieka, przemysł spożywczy oraz rolnictwo. Te tlenowe laseczki z jednej strony produkują toksyny szkodliwe dla ludzi i zwierząt, ale znane są również z syntezy wtórnych metabolitów degradujących niebezpieczne związki chemiczne lub wspomagających wzrost roślin. Powyższe właściwości były intensywnie badane w odniesieniu do szczepów o szczególnym znaczeniu gospodarczym i medycznym. Tymczasem pokrewieństwo filogenetyczne i podłoże ekologicznej dywersyfikacji szczepów izolowanych z gleby nie jest dostatecznie poznane. Analizowałam strukturę genetyczną 297 szczepów B. cereus s.l. wyizolowanych z gleby (i) Narwiańskiego PN, (ii) Białowieskiego PN, (iii) Biebrzańskiego PN oraz (iv) gospodarstwa rolnego w Jasienówce. Zidentyfikowałam homogeniczną grupę bakterii (i) zdolną do wzrostu w niskiej temperaturze (ekotyp psychrotolerancyjny) oraz (ii) syntetyzującą ciemno-brązowy barwnik (ekotyp melaninowy). Analizy MLST wskazują na istnienie specyficznych genotypów wśród naturalnych populacji B. cereus s.l. Ponadto wykazałam istnienie trzech grup filogenetycznych, obejmujących zmienną liczbę B. cereus, B. thuringiensis i B. mycoides. Jednakże analizy typów sekwencyjnych i kompleksów klonalnych wskazują, iż środowiskowe izolaty B. cereus s.l. nie reprezentują jednego gatunku. Szczegółowe badania genetyczne, fenotypowe oraz biochemiczne środowiskowych szczepów B. cereus s.l., rzuciły nowe światło na ewolucję oraz ekologiczną adaptację tych bakterii.

B. cereus s.l. are widespread in natural environments and have a significant impact on human health, food industry, and agriculture. On one hand, members of this group synthetize various toxins harmful to humans, herbivores and invertebrates. On the other hand, they are also known as producers of various secondary metabolites whereby they degrade pollutants and promote the growth of plants and animals. These aspects have been intensively studied especially with regard to the B. cereus group members with the highest impact on human health and economy. Meanwhile, the phylogenetic relationships and the basis of ecological diversification of soil B. cereus s.l. remains largely undescribed. I investigated the genetic structure of 297 B. cereus s. l. soil isolates from diverse habitats in Northeastern Poland, such as (i) the Narew NP, (ii) the Białowieża NP, (iii) Biebrza NP, and (iv) agricultural land in Jasienowka. I identified homogenous groups of bacteria able to (i) growth in low temperature (psychrotolerant ecotype) and (ii) synthesis a dark pigment (melanotype). The MLST analysis indicates the existence of specific genotypes within the natural B. cereus s.l. populations. Phylogenetic studies revealed three major clades, in which B. cereus, B. thuringiensis and B. mycoides were intermixed. However, analysis of sequence types and clonal complexes indicate that environmental B. cereus s.l. do not represent one species. Detailed genetic, phenotypic and biochemical analyses of the environmental B. cereus s.l. strains shed new light on the evolution and ecological adaptation of these bacteria to specific soil habitats differing in scope of human activity.