Comparative Genomic Analysis of a Novel Strain of Taiwan Hot-Spring CyanobacteriumThermosynechococcus sp. CL-1

Abstract

Thermosynechococcus is a genus of thermophilic unicellular cyanobacteria that are dominant in microbial mats at about 50–65 C in alkaline hot springs of eastern Asia. We used PacBio SMRT Sequencing to sequence the complete genome of a novel strain of thermophilic cyanobacterium, Thermosynechococcus sp. CL-1, isolated from the Chin-Lun hot spring (pH 9.3, 62 C) in Taiwan. Genome-scale phylogenetic analysis and average nucleotide identity (ANI) results suggested that CL-1 is a new species in the genus Thermosynechococcus. Comparative genome analysis revealed divergent genome structures of Thermosynechococcus strains. In addition, the distinct genetic differences between CL-1 and the other Thermosynechococcus strains are related to photosynthesis, transporters, signal transduction, the chaperone/usher system, nitric oxide protection, antibiotic resistance, prokaryotic immunity systems, and other physiological processes. This study suggests that Thermosynechococcus strains have actively acquired many putative horizontally transferred genes from other bacteria that enabled them to adapt to different ecological niches and stressful conditions in hot springs.

Methodology and Implementation Steps

1. 樣本分離與純化：由成功大學薛欣達博士及輔仁大學呂誌翼博士在台東金崙及苗栗泰安溫泉採集嗜熱藍綠菌 Thermosynechococcus taiwanensis 菌株，由我進行純化分離並建立穩定培養及冷凍保存方法。
2. 全基因體定序與比較分析：採用 Illumina、PacBio 與 Nanopore 平台進行全基因體定序，並以生物資訊學工具進行基因內容比較與基因重排分析，判定新物種並解析適應基因。
3. 基因功能鑑定：聚焦於水平基因轉移所得的防禦、胺基酸代謝與無機離子運輸相關基因，以及多型碳酸氫根轉運蛋白的功能與適應性意涵。
4. 演化與生態評估：比較基因組結構差異與親緣關係，評估其對台灣溫泉生態系多樣性與演化的貢獻。

Innovation and Cross-Disciplinary Collaboration

創新發現：

• 首次鑑定台灣嗜熱溫泉藍綠菌新物種 CL-1 與 TA-1，結合定序技術與比較基因體學，解析基因重排與功能差異。揭示特有的一氧化氮 (NO) 保護機制、kanamycin 抗性基因多樣性與多種碳酸氫根轉運蛋白。
• 發現水平方向基因轉移為其適應高溫鹼性環境的關鍵機制，提出新演化模式。

跨機構合作：

• 國科會計畫補助，由中研院植微所朱修安博士與中興大學王隆祺博士共同指導，針對新穎台灣溫泉藍綠菌 (CL-2和TA-B1等) 的向光性移動調控與胞外多醣 (EPS) 生產的分子機制進行深入探討。

Expected Results and Contributions

學術價值：

• 建立台灣嗜熱藍綠菌完整基因體數據庫，提升亞洲溫泉藍綠菌研究的國際能見度。
• 為演化生物學與微生物適應性研究提供基因重排與水平基因轉移的案例與理論支持。

生態與保育貢獻：

• 補足台灣極端環境微生物多樣性資訊，提供溫泉生態系保育與管理的重要科學依據。

應用潛力：

• 高溫光合作用菌株具備碳固定與耐熱蛋白特性，可應用於碳捕獲、生物能源與高溫工業酵素開發。
• 支援未來淨零碳排與環境永續科技發展，促進學術與產業連結。