Impact of different stress factors (chill/light, hydrogen peroxide and cyanophage presence) on the expression of cyr genes and the cylindrospermopsin production by the toxic Raphidiopsis raciborskii strains

Cyjanobakterie są organizmami szeroko występującymi w glebach i zbiornikach wodnych. Niektóre gatunki mogą produkować toksyny groźne dla innych organizmów. Raphidiopsis raciborskii to inwazyjny gatunek, który wykazuje dużą tolerancję na zmienność warunków oraz dostępność składników odżywczych. Ponadto niektóre szczepy tego gatunku - CS-505 oraz CS-506 wytwarzają toksynę – cylindrospermopsynę (CYN), kodowaną przez klaster genów cyr. Z tego powodu poznanie odpowiedzi tych szczepów na czynniki stresowe jest niezbędne, aby zrozumieć mechanizmy pozwalające na ich skuteczną adaptację. W niniejszej pracy zbadano, czy stres „chill/light”, nadtlenek wodoru oraz obecność cyjanofagów może wpłynąć na zmiany w produkcji CYN oraz na ekspresję genów cyr. Za pomocą metody HPLC porównano stężenia CYN w grupach wystawionych na warunki optymalne oraz grupach stresowych, które wystawiono na warunki stresu „chill/light” (10 oC oraz natężenie światła na poziomie 100 µmol fotonów m-2 s-1), nadtlenek wodoru (5 mg/L) oraz obecność cyjanofaga 433. Ponadto, metodą qPCR porównano ekspresję genów cyrJ oraz cyrB w odniesieniu do genów referencyjnych prs oraz rnpA, w warunkach optymalnych oraz stresowych. Wykazano, że badane czynniki stresowe nie wpływają na zmiany w ekspresji genów kodujących białka syntezy CYN. W przypadku produkcji CYN zaobserwowano zwiększone stężenie wewnątrzkomórkowe u szczepu CS-506 jedynie w odpowiedzi na stres „chill/light”. Ponadto nie wykazano bezpośredniej korelacji pomiędzy ekspresją genów cyr, a produkcją CYN. Wyniki te sugerują możliwość udziału CYN w mechanizmie ochrony przed stresem oksydacyjnym. Wskazują one także na możliwość regulacji produkcji toksyny w warunkach „chill/light”, przy udziale innych procesów lub czynników.

Cyanobacteria are widely distributed organisms in soils and water reservoirs. Some species can produce toxins that are dangerous to other organisms. Raphidiopsis raciborskii is an invasive species which has considerable flexibility with respect to light and nutrients. Furthermore, some strains (e.g. CS-505 and CS-506) can produce a toxin – cylindrospermopsin (CYN), synthetized by proteins encoded in the cyr gene cluster. Therefore, the response of these strains to different stress factors is necessary to understand adaptation mechanisms to these factors. The aim of this study was to investigate chill/light, hydrogen peroxide and the presence of cyanophages stress influence the production of cylindrospermopsin and the expression of cyr genes. Using HPLC, the concentrations of cylindrospermopsin were compared in groups exposed to optimal conditions and in stress groups exposed to chill/light stress (10 °C and light intensity 100 µmol photons m-2 s-1), hydrogen peroxide (5 mg/L) and the presence of cyanophage 433. Moreover, the expression of cyrJ and cyrB genes was compared with reference to prs and rnpA genes under optimal and stressful conditions. Expression was measured by qPCR. The results showed that the investigated stress factors did not affect the expression of cyrJ and cyrB genes. Increased intracellular CYN concentration has been observed in CS-506 strain only in the response to chill/light stress. Moreover, no direct correlation was found between cyr gene expression and CYN production. These results suggest the possible role of CYN in the mechanism of protection against oxidative stress, and also indicate the possibility of toxin production regulation in chill/light conditions with the participation of other processes or factors.