Molecular Evolution and Population Genetics of Acid Resistant Pathway Glutamate Decarboxylase in Lactic Acid Bacteria

Abstract

The Glutamate Decarboxylase(GAD) Pathway (GDP) is a major acid resistance mechanism that allows Lactic acid bacteria (LABs) to survive in low pH food environments. In the thesis, we aimed to study the molecular evolution and population genetics of GDP genes in LABs to understand evolutionary processes shaping adaptation to high acid environments by contrasting species where the GDP genes are organized as an operon structure (Levilactobacillus brevis) versus lack of an operon structure (Lactiplantibacillus plantarum). Intraspecies molecular population genetic analyses with GDP genes of L. brevis and L. plantarum from various environments revealed that synonymous and non-synonymous nucleotide diversity is driven mainly by low-frequency changes. Neutrality tests revealed mostly negative values indicating negative selection against replacement changes. Similarly, molecular structure and amino acid characteristic analyses showed that none of the replacement changes on the GDP genes alter the important residues of the proteins supporting negative selection against non-conservative amino acid changes. Interspecies analyses were used to identify the closely related LABs. Moreover, phylogenetic analyses showed that the GDP gene tree topologies differed from the LAB species tree, indicating divergent evolutionary histories. The functionally preserved two gad copies of the L. brevis grouped separate phylogenetic clades, showing that the origin of the second gad gene might be via horizontal gene transfer from a phylogenetically distant LAB species rather than gene duplication. In conclusion, GDP in LABs exhibits a dynamic molecular evolutionary history that enables organisms to thrive in high acid environments.

Glutamat dekarboksilaz (GAD) yolağı (GDY) Laktik asit bakterilerinin (LAB) düşük pH’lı ortamlara adaptasyonunda oldukça önemli olan bir mekanizmadır. Tezde LAB’ların GDY genlerinin yüksek asitli ortamlara adaptasyonunu şekillendiren evrimsel süreçleri anlamak için, GDY genlerinin organizasyonu açısından farklı iki LAB türünün (L. brevis and L. plantarum) moleküler evrimi ve populasyon genetiği incelenmiştir. Çeşitli ortamlardan alınmış L. brevis ve L. plantarum GDY genleri ile yapılan tür içi moleküler popülasyon genetiği analizlerinde, nükleotit çeşitliliğinin esas olarak düşük frekanslı değişiklikler tarafından yönlendirildiği bulundu. Tarafsızlık teslerinden negatif seçilimi işaret eden sıfırdan küçük değerler elde edilmiştir. Benzer şekilde, GDY genlerinde tespit edilen amino asit değişimine yol açan mutasyonların negatif seçilimi işaret eder şekilde proteinlerin aktivitesini ve yapısını etkilemediği gözlenmiştir. Evrimsel açıdan yakın LAB türlerini belirlemek için türler arası filogenetik analizler kullanılmıştır. GDY genleri için oluşturlan gen ağaçlarının LAB tür ağacından topolojik olarak farklı olduğu görülmüştür.GAD geni gen ağacında L. brevis genomunda bulunan ve fonksiyonal olarak aktif iki GAD geninin farklı dallarda bulunmaktadır.Bu durum L. brevis’in ikinci GAD geninin gen duplikasyonu yerine yakın farklı bir türden gen aktarımı yolu ile alınmış olabileceğini göstermiştir. Sonuç olarak, LAB ların sahip olduğu GDY genlerinin organizmaların yüksek asitli ortamlara uyumunu sağlayan dinamik bir moleküler evrimsel geçmişi olduğu ortaya çıkarılmıştır.