Molecular phylogenetic and morphometric evaluation of Calothrix sp. N42 and Scytonema sp. N11

Document Type: Research Paper

Authors

1 Assistant Prof., Department of Biology, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

2 Assistant Prof., Department of Molecular and Cellular Sciences, Faculty of Advanced Sciences & Technology, Pharmaceutical Sciences Branch, Islamic Azad University (IAUPS), Tehran, Iran

3 MSc Student, Pharmaceutical Sciences Research Center, Pharmaceutical Sciences Branch, Islamic Azad University (IAUPS), Tehran, Iran

Abstract

The taxonomy of cyanobacteria has been substantially modified in the last few decades, particularly after application of modern ultra structural and molecular methods. The present research, therefore, aimed to investigate, through a polyphasic approach, the differences in morphological and genotypic features of two cyanobacteria strains isolated from different agricultural and freshwaters areas in Kermanshah province (W Iran). In fact, identification and taxonomy of both Calothrix sp. N42 and Scytonema sp. N11 was problematic and confusing. Challenges arose when the two strains seemed to be Calothrix, because of early unbranched filaments, narrow cells and ending by heterocysts. Along with the progression of growth, branching arise. Therefore, molecular analysis was made and morphometric and genetic (16S rRNA) data were used to characterize the strains in liquid suspension cultures and solid media under photoautotrophic conditions. The results of sequencing the 16S rRNA fragment and phylogenetic comparison strongly indicated that, two strains fall into different phylogenetic clusters. Theywere named as Calothrix sp. N42 and Scytonema sp. N11 and have been registered under DDBJ, accession number KY548062 and KY548065, respectively.
 

Keywords


Article Title [Persian]

ارزیابی فیلوژنی مولکولی و مورفومتریک Calothrix sp. N42 و Scytonema sp. N11

Authors [Persian]

  • بهاره نوروزی 1
  • حسین فهیمی 2
  • ندا اردودری 3
1 استادیار زیست‌شناسی مولکولی سیانوباکتری‌ها، گروه زیست‌شناسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران
2 استادیار مرکز تحقیقات علوم دارویی، شاخه علوم دارویی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
3 دانشجوی کارشناسی ارشد، علوم مولکولی و سلولی، دانشکده علوم و تکنولوژی پیشرفته، شاخه علوم دارویی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
Abstract [Persian]

مطالعه گونه‌های سیانوباکتریایی، به خصوص اعضای راستهNostocales ، به دلیل برخورداری از قابلیت تثبیت نیتروژن اتمسفری و در نتیجه نقش آن‌ها در باروری خاک‌های کشاورزی در سراسر جهان، در جوامع علمی از اهمیت بسیاری برخوردار است. با این حال، به رغم اهمیت اکولوژیکی، تاکسونومی سیانوباکتری‌ها هنوز دارای پیچیدگی‌های بسیار است چرا که مطالعات تاکسونومیک سیانوباکتری‌ها، به دلیل ویژگی‌های مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی، در شرایط مختلف بسیار متنوع بوده و این مسئله موجب بروز اختلالات زیادی در سیستم‌های طبقه‌بندی شده است. تاکسونومی سیانوباکتری‌ها، در دهه‌های اخیر، بویژه بعد از کاربرد روش‌های مولکولی و فراساختاری، به طور قابل توجهی تغییر کرده است. هدف از مطالعه حاضر این است که از طریق مطالعه پلی‌فازیک، تفاوت ویژگی‌های مورفولوژیک و ژنوتیپیک دو سویه سیانوباکتری جداسازی شده از زمین‌های زراعی و اکوسیستم‌های آب شیرین در استان کرمانشاه، مورد بررسی قرار گیرد. در حقیقت، شناسایی و تاکسونومی Calothrix sp. N42 و Scytonema sp. N11 جدا شده از ایستگاه‌های مطالعاتی مختلف واقع در استان کرمانشاه، دارای پیچیدگی‌های بسیاری بود، چرا که دو سویه در شناسایی‌های اولیه مورفولوژیک، به علت فیلامنت‌های غیرمنشعب، سلول‌های باریک و حضور هتروسیست در انتهای ریسه، Calothrixبه نظر می‌رسیدند، اما با رشد بیشتر، ریسه‌ها منشعب شدند. بنابراین، آنالیزهای مولکولی و مورفومتریک با استفاده از اطلاعات ژنتیکی حاصل از16S rRNA برای شناسایی سویه‌ها، در کشت‌های مایع و جامد در شرایط فتواتوتروفیک انجام گرفت. نتایج حاصل از مقایسه توالی قطعات 16S rRNA و فیلوژنتیک نشان داد که دو سویه، در دو کلاستر فیلوژنتیکی متفاوت قرار می‌گیرند، لذا با نام‌های Calothrix sp. N42 و Scytonema sp. N11 در DDBJ به ترتیب با کدهای دسترسی KY548062 و KY548065 ثبت شدند.

Keywords [Persian]

  • ارزیابی‌های فیلوژنتیک
  • تاکسونومی
  • Calothrix sp. N42
  • Nostocales
  • Scytonema sp. N11
Bohuslav, U. 2007. Morphological characterization of three subaerial Calothrix species (Nostocales, Cyanobacteria), Fottea 7: 33–38.

Castenholz, R.W. 2001. General Characteristics of the Cyanobacteria. Pp. 474–487. In: Boone, D.R. & Castenholz, R.W. (eds). Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, 2nd. edition, Vol. 1. New York: Springer.

Castenholz, R.W., Manhart, L.R., Mccourt, R.M., Wood, A.M. & Leatham, T. 1992. Species usage, concept, and evolution in the cyanobacteria (blue-green algae). Journal of Phycology 28: 737–745.

Cavalier-Smith, T. 2002. The neomuran origin of archaebacteria, the negibacterial root of the universal tree and bacterial megaclassification. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 52: 7–76.

Desikachary, T.V. 1959. Cyanophyta. Indian Council of Agricultural Research, New Delhi, 686 pp.

Dodds, W.K., Gudder, D.A. & Mollenhauer, D. 1995. The ecology of Nostoc. Journal of Phycology31: 2–18.

Gao, K. & Ai, H. 2004. Relationship of growth and photosynthesis with colony size in an edible cyanobacterium, ge-xian-mi Nostoc (Cyanophyceae). Journal of Phycology 40: 523–526.

Hedges, S.B., Chen, H., Kumar, S., Wang, D.Y., Thompson, A.S. & Watanabe, H. 2001. A genomic timescale for the origin of eukaryotes. BMC Evolutionary Biology 1: 4.

Fenchel, T. 2003. Biogeography for bacteria. Science301: 925–926.

Kaushik, P., Chauhan, P., Chauhan, G. & Goyal, P. 2009. Evaluation of Nostoc commune for potential antibacterial activity and UV-HPLC analysis of methanol extract. The Internet Journal of Microbiology ISSN: 1937–8289, 1.

Komárek, J. 2006. Cyanobacterial taxonomy: current problems and prospects for the integration of traditional and molecular approaches. Algae 21: 349–375.

Komárek, J. 2010. Modern taxonomic revision of planktic nostocacean cyanobacteria: a short review of genera. Hydrobiologia 639: 231–243.

Komárek, J. & Anagnostidis, K. 1989. Modern approach to the classification system of Cyanophytes, 4-Nostocales. Archiv für Hydrobiologie82: 247–345.

Komárek, J., Sant´Anna,C.L., Bohunická, M., Mareš, J., Hentschke, G.S, Rigonato, J. & Fiore, M. 2013. Phenotype diversity and phylogeny of selected Scytonema-species (Cyanoprokaryota) from SE Brazil. Fottea13(2): 173–200.

Korelusová, J. 2008. Phylogeny of Heterocystous Cyanobacteria (Nostocales and Stigonematales). Thesis, University of South Bohemia, Ceské Budejovice.

Nayak, S., Prasanna, R., Prasanna, B.M. & Sahoo, D.B. 2007. Analyzing diversity among Indian isolates of Anabaena (Nostocales, Cyanophyta) using morphological, physiological and biochemical characters. World Journal of Microbiology and Biotechnology 23: 1575–1584.

Nübel, U., Garcia-pichel, F. & Muyzer, G. 1997. PCR primers to amplify 16S rRNA genes from cyanobacteria. Applied Environmental Microbiology‎ 63: 3327–3332.

Rai, A., Pandey, K.D. & Kashyap, A.K. 1978. Heterocyst differentiation and polarity in Calothrix. New Phytologist 81(3): 647–651.

Rangaswamy, G. 1996. Agricultural Microbiology. Asia Publishing House, Bombay.

Rippka, R. 1988. Recognition and identification of cyanobacteria. Methods in Enzymology 167: 3–67.

Rippka, R., Derulles, J., Watrerbury, J.B., Herdman, M. & Stainer, R.Y. 1979. Generic assignments, strain histories and properties of pure cultures of cyanobacteria. Journal of General Microbiology 111: 1–61.

Singh, S., Dhara, D.W. & Guptab, R.K. 2011. Morphological and molecular characterization of Calothrix isolates obtained from diverse environments in India. Microbiology 80(3): 411–419.

Stanier, R.Y., Sistrom, W.R., Hansen, T.A., Whitton, B.A., Castenholz, R.W., Pfennig, N., Gorlenko, V.N., Kondratieva, E.N., Eimhjellen, K.E. & Whittenbury, R. 1978. Proposal to place nomenclature of cyanobacteria (blue-green algae) under rules of international code of nomenclature of bacteria. International Journal ofSystematic and Evolutionary Microbiology 28: 335–336.

Tamura, K., Dudley J., Nei, M. & Kumar, S. 2007. MEGA 4: molecular evolutionary genetics analysis (MEGA) software version 4.0. Molecular Biology and Evolution8: 1596–1599.

Thajamanbi, M., Rout, J. & Thajuddin, N. 2016. Isolation and characterization of two cyanobacterial strains Calothrix sp. and Microchaete sp. from rice fields of Karimganj district, Assam, north east India. CurrentWorld Environment 11: 399.