Lait 84 (2004) 25-32
DOI: 10.1051/lait:2003038

Lactobacilli evolve by cumulative DNA degeneration

Françoise Bringel and Jean-Claude Hubert

Laboratoire de dynamique, expression et évolution de génomes de micro-organismes, FRE 2326 Université Louis-Pasteur/CNRS, 28 rue Goethe, 67083 Strasbourg, France
(Published online 12 December 2003)

Abstract
Lactic acid bacteria require rich media since, due to mutations in their biosynthetic genes, they are unable to synthesise numerous amino acids and nucleobases. The extent of genetic lesions was investigated in two biosynthetic pathways for 150 Lactobacillus plantarum isolates from various origins. Arginine biosynthesis and pyrimidine biosynthesis share a common intermediate, carbamoyl phosphate (CP). No pyrimidine auxotrophs were detected and only 7 L. plantarum strains required arginine for growth. Arginine auxotrophs were more frequently found in L. plantarum isolated from milk products than from fermented plant products or humans: association with dairy products might favour arginine auxotrophy. The argCJBDF genes were functional in most strains and when inactive, only one gene was mutated in more than half of the arginine auxotrophs. Random mutations may have generated these auxotrophs since different arg genes were inactivated. Analysis of the sequenced L. plantarum genome revealed the presence of 6 sets of duplicated genes in the arginine and pyrimidine biosynthetic pathways. Among the three copies of the CP synthetase large sub-unit encoding gene, pyrAb2 harboured frame-shift mutations and may be a pseudogene. These data support the hypothesis that lactic acid bacteria have adapted to specific habitats by progressively losing unnecessary genes and their genome has evolved through cumulative DNA degeneration.

Résumé
Évolution de certains lactobacilles par dégénérescence cumulée de l'ADN. Les bactéries lactiques nécessitent des milieux riches pour leur croissance car des mutations dans des gènes impliqués dans la biosynthèse de nombreux acides aminés, de vitamines ou de nucléobases ont invalidé leurs capacités à synthétiser ces composés. La nature et la fréquence des lésions génétiques responsables de ces auxotrophies naturelles ont été recherchées dans les gènes codant pour la synthèse de deux voies de biosynthèse, celle de l'arginine et celle des pyrimidines. Ces deux voies possèdent un intermédiaire de biosynthèse commun, le carbamyl phosphate (CP). Une collection de 150 souches de Lactobacillus plantarum isolées de produits fermentés et de niches écologiques diverses a été testée. Aucune souche n'était auxotrophe vis-à-vis des pyrimidines et 7 souches seulement présentaient une auxotrophie vis-à-vis de la citrulline, un précurseur de l'arginine. Les auxotrophes Arg ^- étaient plus fréquemment rencontrés parmi les isolats laitiers que parmi des isolats végétaux ou d'origine humaine. Nous faisons l'hypothèse que l'association des lactobacilles aux produits laitiers favoriserait la sélection d'auxotrophes vis-à-vis de l'arginine. Les gènes impliqués dans la biosynthèse de la citrulline sont regroupés dans l'opéron argCJBDF et sont fonctionnels dans la plupart des souches étudiées. En cas d'inactivation, seul un gène est altéré dans plus de la moitié des auxotrophes Arg ^- examinés. Dans trois cas, l'inactivation de gène résulte d'évènements de mutation ponctuelle de type transversion. Dans les quatre autres auxotrophes, des altérations non réversibles de type délétion ou insertion ont été mis en évidence. L'absence de cible privilégiée pour les mutations suggère qu'un processus de mutagenèse aléatoire est à l'origine de l'apparition de ces auxotrophes naturels. Une analyse in silico du génome séquencé de L. plantarum a permis la mise en évidence de 6 groupes de copies de gènes impliqués dans la biosynthèse de l'arginine et des pyrimidines. Les gènes codant l'enzyme impliquée dans la biosynthèse du CP, le précurseur des deux voies métaboliques, sont présents en trois exemplaires. Parmi les copies du gène codant la grande sous-unité de cette enzyme, le gène pyrAb2 revêt les caractéristiques d'un pseudogène, porteur de plusieurs mutations qui changent le cadre de lecture et écourtent la protéine. Ainsi, ces résultats appuient l'hypothèse selon laquelle les bactéries lactiques et plus particulièrement L. plantarum, évoluent en s'adaptant à leurs habitats. Le génome de L. plantarum semble dégénérer par accumulation de lésions génétiques. La diversité métabolique rencontrée au sein des bactéries lactiques peut s'expliquer par ces modifications intra-génomiques. Cependant, l'apport d'information par des mécanismes de transferts horizontaux joue également un rôle crucial dans l'évolution des génomes de ces bactéries.

Key words: Lactobacillus / evolution / adaptation / mutation / auxotrophy

Mots clés : Bactérie lactique / évolution / adaptation / mutation / auxotrophie

Correspondence and reprints: Françoise Bringel bringel@gem.u-strasbg.fr

© INRA, EDP Sciences 2004