Analysis of strains distribution in the anaerobic digestion microbiome and effects of variants on key metabolic pathways

Genetic heterogeneity is a common trait in microbial populations and it is due to de novo mutations and the change of variant frequencies over time. The aim of the thesis is the identification of microdiversity in microbial communities by applying variant calling procedures and strains deconvolution. Variants were investigated on the anaerobic digestion database, a collection of 317 metagenomic samples that were used to reconstruct 4568 metagenome assembled genomes. This global analysis revealed that the phyla with the highest single nucleotide variants density are Synergistetes and Euryarchaeota. The high microdiversity identified in Archaea underlines how genetic variants are involved in the modulation of methanogenesis. Then, the frequency of variants was studied in time-course perturbation experiments in which hydrogen and ammonia concentrations were changed over time. The functional analysis revealed that some genes having an important role in responding to the perturbations are impacted by the presence of variants. Lastly, the exact number of strains and their abundance over time were reconstructed. This information provides a complete picture of the anaerobic digestion microbiome at the strain level.

L'eterogeneità genetica è un tratto comune nelle popolazioni microbiche ed è dovuta a mutazioni de novo e al cambiamento delle frequenze delle varianti nel tempo. L'obiettivo della tesi è l'identificazione di microdiversità nelle comunità microbiche mediante l'applicazione di procedure di identificazione delle varianti e deconvoluzione dei ceppi. Le varianti sono state analizzate all’interno del database della digestione anaerobica, una raccolta di 317 campioni metagenomici utilizzati per ricostruire 4568 metagenomi assemblati. Questa analisi globale ha rivelato che i phyla con la più alta densità di SNV sono Synergistetes ed Euryarchaeota. L'elevata microdiversità identificata negli Archaea sottolinea come le varianti genetiche siano coinvolte nella modulazione della metanogenesi. Successivamente, la frequenza delle varianti è stata studiata in esperimenti di perturbazione nel corso del tempo in cui la concentrazione di idrogeno e ammoniaca è stata modificata nel tempo. L'analisi funzionale ha rivelato che alcuni geni aventi un ruolo importante nella risposta alla perturbazione sono influenzati dalla presenza di varianti. Infine è stato ricostruito il numero esatto dei ceppi e la loro abbondanza nel tempo. Queste informazioni forniscono un quadro completo del microbioma della digestione anaerobica a livello di ceppo.