Распространение горячих источников и механизмы выживания термофильного комаммокса Nitrospira

Журнал ISME, том 17, страницы 993–1003 (2023 г.) Процитировать эту статью

3714 Доступов

12 Альтметрика

Подробности о метриках

Недавнее открытие видов Nitrospira, способных к полному окислению аммиака (comammox) в неморских природных и искусственных экосистемах в мезотермических условиях, изменило наше понимание микробной нитрификации. Однако мало что известно о распространении бактерий comammox или их способности выживать в умеренно-тепловых и/или гипертермальных средах обитания. Здесь мы сообщаем о широком распространении комаммокса Nitrospira в пяти наземных горячих источниках при температуре от 36 до 80 ° C и предоставляем собранные метагеномом геномы 11 новых штаммов комаммокса. Интересно, что идентификация диссимиляционного восстановления нитрата до аммония (DNRA) у термофильных линий comammox Nitrospira позволяет предположить, что они выполняют разнообразные экологические функции как поглотители, так и источники аммиака, в отличие от описанных мезофильных линий comammox, у которых отсутствует путь DNRA. Кроме того, экспрессия in situ ключевых генов, связанных с азотистым метаболизмом, тепловой адаптацией и окислительным стрессом, подтвердила их способность выживать в изученных горячих источниках и их вклад в нитрификацию в этих средах. Кроме того, меньший размер генома и более высокое содержание GC, менее полярные и более заряженные аминокислоты в профилях использования, а также экспрессия большого количества белков теплового шока по сравнению с мезофильными штаммами комаммокса предположительно придают толерантность к тепловому стрессу. Эти новые сведения о возникновении, метаболической активности и адаптации comammox Nitrospira в термальных средах обитания еще больше расширяют наше понимание глобального распространения comammox Nitrospira и имеют важное значение для того, как эти уникальные микроорганизмы развили стратегии термоустойчивости.

В прошлом столетии считалось, что хемолитоавтотрофная нитрификация представляет собой двухэтапный процесс, осуществляемый консорциумом микроорганизмов. Однако эта парадигма была радикально изменена эпохальными открытиями отдельных организмов, способных окислять аммиак до нитрата [1, 2]. Эти хемолитоавтотрофные бактерии, полностью окисляющие аммиак (comammox), относятся к сублинии II глубоковетвистого рода Nitrospira, ранее считалось, что они осуществляют только окисление нитритов [3]. Хотя были предприняты попытки полностью охарактеризовать comammox Nitrospira, в настоящее время получен только один изолированный штамм и ограниченное количество накопительных культур [4,5,6,7]. Кинетические характеристики двух из этих comammox Nitrospira культур позволяют предположить, что они обладают высоким сродством к аммиаку и предпочитают обитать в олиготрофных средах [4, 5]. Таким образом, экосистемы с ограниченным потоком питательных веществ благоприятствуют присутствию комаммокса Nitrospira, который может даже доминировать над каноническими окислителями аммиака (например, аммиакоокисляющими бактериями (АОБ)). Однако полевые исследования показали, что в дифференциации ниш окислителей аммиака роль также будут играть и другие факторы, помимо доступности аммиака [8, 9].

Экологическое значение comammox Nitrospira расшифровано лишь частично, хотя обнаружено, что они широко распространены в неморских природных и искусственных экосистемах. Окружающая среда, в которой они были обнаружены, включает почвы, естественные пресноводные объекты, сооружения для очистки сточных вод, а также системы производства и распределения питьевой воды [10,11,12,13,14,15,16,17,18]. За исключением первого и пока единственного изолированного штамма комаммокса Nitrospira inopinata, который первоначально был отобран из трубы с горячей водой (56°C) и культивирован в умеренно термических условиях при температуре от 46 до 50°C [1, 4], все остальные исследования были связано с мезотермическими условиями. Это поднимает вопрос о роли comammox Nitrospira в круговороте азота в термальных и гипертермальных средах обитания.

Геотермальные среды обитания, такие как подводные гидротермальные источники и наземные горячие источники, поддерживают существование множества хемолитоавтотрофных микроорганизмов, возможно, с момента зарождения клеточной жизни [19,20,21]. Исследования микробных сообществ горячих источников можно отнести к 19 веку [22], тогда как понимание их разнообразия и метаболической способности значительно улучшилось за последние два десятилетия благодаря достижениям в технологиях секвенирования. Одним из соединений в горячих источниках, которое представляет особый интерес, является аммоний, который является основным азотистым соединением, наблюдаемым в геотермальных средах обитания [23]. Следовательно, термофильные аэробные археи, окисляющие аммиак (АОА), широко обнаружены в термальных экосистемах [24,25,26,27]. Кроме того, в геотермальных горячих источниках были идентифицированы нитрит-окисляющие бактерии (NOB), относящиеся к роду Nitrospira или типу Chloroflexi [28,29,30]. Потенциальная способность представителей рода Nitrospira, включая вид comammox N. inopinata, переносить термически вызванный стресс, указывает на то, что comammox Nitrospira также может размножаться в высокотемпературных экосистемах, но в отношении природных геотермальных источников на сегодняшний день подобных сообщений сделано не было. Это приводит к вопросам о том, насколько широко распространены термофильные comammox Nitrospira, какие стратегии используют эти виды для защиты от теплового стресса и существуют ли какие-либо геномные различия между comammox Nitrospira в термальных и нетепловых средах обитания.

2500 bp were included for genome binning based on tetranucleotide frequency and sequencing depth using MetaBAT v2.12.1 [34]. To calculate sequencing depth, filtered reads were mapped to assembled contigs using BBMap v38.85 using a minimal identity setting of 0.97. The “jgi_summarize_bam_contig_depths” command in MetaBAT was performed to generate the sequencing depth table. Genomic bins were visualized using emergent self-organizing maps (ESOM) [35]. Completeness, contamination, and strain heterogeneity of each metagenome-assembled genome (MAG) were estimated using CheckM v1.0.5 [36]. To reduce contamination and heterogeneity, all MAGs were further manually examined to remove contigs with abnormal coverage or discordant positions within the ESOM. Finally, clean reads of each MAG were recruited using BBMap and reassembled using SPAdes v3.9.0 with parameters: −k 21,33,55,77,99,127 –careful./p> 88% and contamination values < 3% (Table 1). For the DGJ01_4_Bin137 and DGJ02_3_Bin65 comammox Nitrospira, these MAGs were highly similar to each other (99.8% AAI), but stemmed from hot springs with disparate environments in terms of pH and temperature parameters (Supplementary Table S1). The gene expression patterns for DGJ02_3_Bin65 in three samples with pH of 6.8 to 8.6 and temperature of 27 to 70 °C (see below) indicated that these two strains were active in neutral to slightly alkaline environments at a broad temperature range. Whether they can also survive in acidic conditions remains unclear and could only be verified by cultivation-based experiments./p>