Desmonostoc salinum CCM-UFV059, a novel cyanobacteria from a saline- alkaline lake: molecular and physiological responses to light, desiccation and salt stress | Desmonostoc salinum CCM-UFV059, uma nova cianobactéria: respostas moleculares e fisiológicas a luz, dessecação e stress salino

Cyanobacteria are widespread photosynthetic prokaryotes and are among the oldest organisms on Earth. During their long evolution, cyanobacteria developed an enormous diversity in terms of morphology, metabolic plasticity and molecular properties, which seems to be important factors to cope with limiting environmental conditions and allowed their ecological success in almost all known photic ecosystems. The first part of this work consisted of the taxonomic characterization, using the polyphasic approach, of the strain Desmonostoc salinum CCM-UFV059, a filamentous heterocytous cyanobacterium isolated from a hypersaline lake. Taken together, our data allowed the description of a new species and the first strain of the Desmonostoc genus from a saline environment. The second part of this work aimed to decipher the main salt acclimation mechanisms present in Desmonostoc salinum CCM-UFV059, because most studies on cyanobacterial salt acclimation have been carried out on unicellular strains, which cannot fix N 2 . We performed a comparative study using the model strain Nostoc PCC7120, and we could observe a remarkable high salt tolerance displayed by Desmonostoc salinum CCM-UFV059. In cells of Desmonostoc salinum CCM-UFV059 the intracellular sodium content was significantly lower than in Nostoc PCC7120 and these cells were able to sustain photosynthetic activity up to 0.5 M NaCl while Nostoc PCC7120 cells were not. Moreover, Desmonostoc salinum CCM- UFV059 induced sucrose over-accumulation under desiccation stress conditions, which allowed this strain to survive harsh desiccation stress. Together with the presence of highly unsaturated lipids in the membrane, the high sucrose production and the intense export of sodium could explain, at least partially, how Desmonostoc salinum CCM-UFV059 is capable of acclimate to high salinities and to resist longer desiccation periods. Collectively, our results provide the first insights into the physiological adaptations explaining the remarkable high salt and desiccation tolerance presented by this strain. Furthermore, given that cyanobacteria have several biotechnological applications, such as the production of biomass for human and animal consumption, and metabolites of industrial interest, the third part of this work was performed to analyze the physiological and metabolic responses of Desmonostoc salinum CCM-UFV059 submitted to different light availabilities, aiming at finding the light regime suitable for maximal biomass production as well as to better understand how distinct growth conditions may interfere within the basal metabolism. Collectively our results indicate that Desmonostoc salinum CCM-UFV059 display a highly plastic metabolism and the ability to grow in a large range of light regimes, that open the possibility to outdoor cultivation and commercial use of this species that has a great biotechnological potential. Notwithstanding, further research is clearly required in order to enable a large scale cultivation of Desmonostoc salinum CCM-UFV059.

Cianobactérias são procariotos fotossintetizantes e estão entre os organismos mais antigos da Terra. Durante sua longa evolução, as cianobactérias desenvolveram uma enorme diversidade em termos de morfologia, plasticidade metabólica e propriedades moleculares, fatores importantes para lidar com condições ambientais limitantes e que permitiram o sucesso ecológico deste grupo em quase todos os ambientes. A primeira parte deste trabalho consistiu na caracterização taxonômica da cepa Desmonostoc salinum CCM-UFV059, uma cianobactéria filamentosa heterocitada isolada de um ambiente hipersalino. Em conjunto, os dados obtidos permitiram a descrição da primeira cepa do gênero Desmonostoc oriunda de um ambiente salino. Como a maioria dos estudos sobre aclimatação ao sal em cianobactérias foi realizada em linhagens unicelulares, que não podem fixar N 2 , a segunda parte deste trabalho focou na identificação dos principais mecanismos de aclimatação ao sal empregados por Desmonostoc salinum CCM-UFV059. Para tanto, foi realizado um estudo comparativo utilizando a cepa modelo Nostoc PCC7120. Com efeito, células de Nostoc PCC7120 apresentaram teor intracelular de sódio quatro vezes maior que células de Desmonostoc salinum CCM-UFV059, sendo estas últimas capazes de sustentar a atividade fotossintética até 0,5 M de NaCl, concentração essa na qual Nostoc PCC7120 não mais apresentava atividade fotossintética. Além disso, Desmonostoc salinum CCM-UFV059 produziu grande concentração de sacarose em resposta a limitação hídrica, o que permitiu a sobrevivência dessa cepa ao estresse severo de dessecação. A presença de lipídios altamente insaturados concomitantemente com uma alta produção de sacarose e capacidade de manter o sódio fora das células, explicam, ao menos parcialmente, a capacidade de Desmonostoc salinum CCM-UFV059 em se adaptar a altas salinidades e resistir a longos períodos de dessecação. Coletivamente, os resultados obtidos fornecem informações iniciais sobre adaptações fisiológicas que explicariam a notável tolerância ao sal e a dessecação pela espécie Desmonostoc salinum CCM-UFV059. Devido as potenciais aplicações biotecnológicas apresentadas por cianobactérias, incluindo a produção de biomassa para consumo humano e animal além de metabólitos de interesse industrial, a terceira parte deste trabalho buscou investigar as respostas fisiológicas e metabólicas de Desmonostoc salinum CCM- UFV059 frente à diferentes disponibilidades de luz e fotoperíodo, visando encontrar o regime de luz adequado para a máxima produção de biomassa e também compreender melhor como distintas condições de crescimento interferem no metabolismo basal dessa cianobactéria. Em síntese, Desmonostoc salinum CCM-UFV059 possui uma alta plasticidade metabólica podendo ser cultivada em uma ampla gama de regimes luminosos, o que possibilitaria o cultivo aberto e uso comercial dessa espécie, que apresenta grande potencial biotecnológico. Não obstante, estudos são ainda necessários para viabilizar o cultivo e uso de Desmonostoc salinum CCM-UFV059 em larga escala.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais