コドンの使用パターンと海洋単細胞シアノバクテリアシナココッコスおよびプロクロロコッカスの適応進化

シナココッカスとプロクロロコッカスに代表される海洋単細胞シアノバクテリアは、乏栄養海洋での植物プランクトンの総バイオマスと生産を支配しています。この研究では、比較ゲノミクスアプローチを採用して、海洋単細胞シアノバクテリアの多数の密接に関連する種の同義コドンの使用バイアスと進化率を広範囲に調査しました。海洋シアノバクテリアのこれらの2つのグループは、系統発生関係に密接に関係していますが、コドンの使用パターンだけでなく、多様化の背後にある原動力にも非常に多様であることがわかります。プロクロロコッカスでは、突然変異とゲノムの組成制約がコドンの使用バイアスに寄与する主力であるのに対し、シナココッカスでは翻訳選択があることが明らかになります。さらに、ヌクレオチド置換速度分析は、発散後に一定の速度で進化していないこと、およびシナココッカスのコア遺伝子の平均D（n）/d（s）値はプロクロロコッカスのコア遺伝子よりも著しく高いことを示しています。私たちの進化的ゲノム分析は、発散後のシナココッカスとプロクロロコッカスのコドンの使用、進化的遺伝的メカニズム、環境適応に関する最初の洞察を提供します。

Marine unicellular cyanobacteria, represented by Synechococcus and Prochlorococcus, dominate the total phytoplankton biomass and production in oligotrophic ocean. In this study, we employed comparative genomics approaches to extensively investigate synonymous codon usage bias and evolutionary rates in a large number of closely related species of marine unicellular cyanobacteria. Although these two groups of marine cyanobacteria have a close phylogenetic relationship, we find that they are highly divergent not only in codon usage patterns but also in the driving forces behind the diversification. It is revealed that in Prochlorococcus, mutation and genome compositional constraints are the main forces contributing to codon usage bias, whereas in Synechococcus, translational selection. In addition, nucleotide substitution rate analysis indicates that they are not evolving at a constant rate after the divergence and that the average d(N)/d(S) values of core genes in Synechococcus are significantly higher than those in Prochlorococcus. Our evolutionary genomic analysis provides the first insight into codon usage, evolutionary genetic mechanisms and environmental adaptation of Synechococcus and Prochlorococcus after divergence.