Mutations in the circadian cycle drive adaptive plasticity in cyanobacteria

A Alfonso Mendaña (Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas) M María Santos-Merino (Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas) R Raquel Gutiérrez-Lanza (Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas) M Marina Domínguez-Quintero (Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas) J Juan Manuel Medina-Méndez (Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas) A Ana González-Guerra (Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas) V Víctor Campa (Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas) M Miguel Baez (Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas) M Magaly Ducos-Galand (Institut Pasteur, Université Paris Cité, CNRS UMR3525, Unité Plasticité du Génome Bactérien) R Rocío López-Igual (Institut Pasteur, Université Paris Cité, CNRS UMR3525, Unité Plasticité du Génome Bactérien) D Daniel C. Volke (The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Technical University of Denmark) M Muriel Gugger (Institut Pasteur, Université Paris Cité, Collection of Cyanobacteria) P Pablo I. Nikel (The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Technical University of Denmark) D Didier Mazel (Institut Pasteur, Université Paris Cité, CNRS UMR3525, Unité Plasticité du Génome Bactérien) F Fernando de la Cruz (Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas) R Raúl Fernández-López (Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas)

Abstract

Circadian clocks allow organisms to anticipate daily fluctuations in light and temperature, but how this anticipatory role promotes adaptation to different environments remains poorly understood. Here, we subjected the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 to a long-term evolution experiment under high light, high temperature, and elevated CO 2 levels. After 1,200 generations, we obtained a strain exhibiting a 600% increase in growth rate. Whole-genome sequencing revealed three mutations fixed in the evolved population, two of which were sufficient to recapitulate the fast-growing phenotype in the wild type. A mutation in the promoter of the shikimate kinase aroK led to its overexpression, while a mutation in the central circadian regulator sasA disrupted both the phase and amplitude of the circadian rhythm. Changes in circadian control led to widespread perturbations in the transcriptome and metabolome. These included major shifts in the Calvin–Benson–Bassham cycle and glycogen storage dynamics. While these changes increased fitness under the experimental conditions, they caused maladaptation when light or CO 2 levels were altered, revealing a trade-off between fitness and environmental flexibility. Our results demonstrate that mutations in circadian control can drive fast adaptation by modulating central metabolism, underscoring the circadian cycle as a cornerstone of cellular plasticity. Thus, targeting the circadian cycle could be key to engineering cyanobacterial strains optimized for carbon fixation and biomass production.

Article Details

Volume / Issue Vol. 122, Issue 36
Published September 09, 2025
ISSN 0027-8424
Publisher National Academy of Sciences

Authors (16)

A

Alfonso Mendaña

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas

M

María Santos-Merino

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas

R

Raquel Gutiérrez-Lanza

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas

M

Marina Domínguez-Quintero

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas

J

Juan Manuel Medina-Méndez

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas

A

Ana González-Guerra

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas

V

Víctor Campa

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas

M

Miguel Baez

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas

M

Magaly Ducos-Galand

Institut Pasteur, Université Paris Cité, CNRS UMR3525, Unité Plasticité du Génome Bactérien

R

Rocío López-Igual

Institut Pasteur, Université Paris Cité, CNRS UMR3525, Unité Plasticité du Génome Bactérien

D

Daniel C. Volke

The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Technical University of Denmark

M

Muriel Gugger

Institut Pasteur, Université Paris Cité, Collection of Cyanobacteria

P

Pablo I. Nikel

The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Technical University of Denmark

D

Didier Mazel

Institut Pasteur, Université Paris Cité, CNRS UMR3525, Unité Plasticité du Génome Bactérien

F

Fernando de la Cruz

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas

R

Raúl Fernández-López

Instituto de Biomedicina y Biotecnología de Cantabria, Universidad de Cantabria—Consejo Superior de Investigaciones Científicas