호열성 코맘목 Nitrospira의 온천 분포 및 생존 메커니즘

ISME 저널 17권, 페이지 993–1003(2023)이 기사 인용

3714 액세스

12 알트메트릭

측정항목 세부정보

중온 조건에서 비해양 자연 및 가공 생태계에서 완전한 암모니아 산화(comammox)를 수행할 수 있는 Nitrospira 종의 최근 발견은 미생물 질산화에 대한 우리의 이해를 변화시켰습니다. 그러나 코맘목스 박테리아의 발생이나 온건한 온도 및/또는 고열 서식지에서 생존할 수 있는 능력에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 여기에서 우리는 36~80°C 온도 범위의 5개 육상 온천에서 코마목스 니트로스피라(comammox Nitrospira)의 광범위한 분포를 보고하고 11개의 새로운 코마목스 균주의 메타게놈 조립 게놈을 제공합니다. 흥미롭게도, 호열성 코맘목스 Nitrospira 계통에서 암모늄으로의 질산이화환원(DNRA)이 확인된 것은 이들이 DNRA 경로가 결여된 설명된 중온성 코맘목스 계통과 달리 암모니아의 흡수원이자 공급원으로서 다양한 생태학적 기능을 가지고 있음을 시사합니다. 또한, 질소 대사, 열 적응 및 산화 스트레스와 관련된 주요 유전자의 현장 발현은 연구 대상 온천에서 생존할 수 있는 능력과 이러한 환경에서 질산화에 대한 기여를 확인했습니다. 또한, 더 작은 게놈 크기와 더 높은 GC 함량, 사용 프로필에서 덜 극성이고 더 많은 하전된 아미노산, 중온성 코맘목스 균주에 비해 많은 수의 열 충격 단백질의 발현은 아마도 열 스트레스에 대한 내성을 부여하는 것으로 추정됩니다. 열 서식지에서 코맘목스 니트로스피라(comammox Nitrospira)의 발생, 대사 활동 및 적응에 대한 이러한 새로운 통찰력은 코맘목스 니트로스피라(comammox Nitrospira)의 전 세계 분포에 대한 이해를 더욱 확장하고 이러한 독특한 미생물이 내열성 전략을 어떻게 발전시켜왔는지에 대한 중요한 의미를 갖습니다.

지난 세기 동안 화학석독립영양 질산화는 미생물 컨소시엄에 의해 수행되는 2단계 과정으로 여겨졌습니다. 그러나 이 패러다임은 암모니아를 질산염으로 산화시킬 수 있는 단일 유기체의 획기적인 발견으로 인해 근본적으로 바뀌었습니다[1, 2]. 이러한 화학석독립영양 완전 암모니아 산화(comammox) 박테리아는 이전에 아질산염 산화만 수행하는 것으로 간주되었던 깊은 분지 Nitrospira 속의 하위 계통 II에 속합니다[3]. 코마목스 Nitrospira를 완전히 특성화하려는 시도가 있었지만, 현재 단 하나의 분리된 균주와 제한된 수의 농축 배양물이 얻어졌습니다[4,5,6,7]. 이러한 comammox Nitrospira 배양물 중 두 가지의 동역학적 특성 분석은 이들이 암모니아에 대해 높은 친화력을 가지며 빈영양 환경에 서식하는 것을 선호한다는 것을 시사합니다[4, 5]. 따라서 영양분 흐름이 제한된 생태계는 표준 암모니아 산화제(예: 암모니아 산화 박테리아(AOB))보다 우세할 수도 있는 코마목스 니트로스피라(comammox Nitrospira)의 존재를 선호합니다. 그러나 현장 연구에서는 암모니아 가용성 이외의 요인도 암모니아 산화제의 틈새 차별화에 역할을 할 것이라고 제안했습니다[8, 9].

코마목스 니트로스피라(comammox Nitrospira)의 생태학적 중요성은 부분적으로만 해독되었지만 비해양 자연 및 인공 생태계에 널리 분포되어 있는 것으로 밝혀졌습니다. 검출된 환경에는 토양, 자연 담수 환경, 폐수 처리 시설, 식수 생산 및 분배 시스템이 포함됩니다[10,11,12,13,14,15,16,17,18]. 원래 온수 파이프(56°C)에서 샘플링하고 46~50°C의 적당한 열 조건에서 배양한 최초이자 지금까지 유일하게 분리된 코맘목스 균주 Nitrospira inopinata를 제외하고[1, 4], 다른 모든 연구는 중온 조건과 관련이 있습니다. 이는 열 및 고열 서식지의 질소 순환에서 comammox Nitrospira의 역할에 대한 의문을 제기합니다.

해저 열수 분출공 및 육상 온천과 같은 지열 서식지는 아마도 세포 생명체의 기원부터 다양한 화학석영양 미생물을 지원합니다[19,20,21]. 온천 미생물 군집에 대한 조사는 19세기로 거슬러 올라갈 수 있으며[22], 염기서열 분석 기술의 발전으로 인해 지난 20년 동안 미생물 군집의 다양성과 대사 능력에 대한 이해가 크게 향상되었습니다. 특히 관심을 끄는 온천의 화합물 중 하나는 지열 서식지에서 관찰되는 주요 질소 화합물인 암모늄입니다[23]. 결과적으로 호열성 암모니아 산화 고세균(AOA)은 열 생태계에서 널리 발견되었습니다[24,25,26,27]. 또한 Nitrospira 속 또는 Chloroflexi 문과 관련된 아질산염 산화 박테리아(NOB)가 지열 온천에서 확인되었습니다[28,29,30]. 코마목스(comammox) 종 N. inopinata를 포함하여 니트로스피라(Nitrospira) 속의 구성원이 열로 유발된 스트레스를 견딜 수 있는 가능성은 코마목스 니트로스피라(comammox Nitrospira)도 고온 생태계에서 증식할 수 있음을 나타냅니다. 그러나 자연 지열 온천에 대해서는 현재까지 그러한 보고가 이루어지지 않았습니다. 이는 호열성 코마목스 니트로스피라(comammox Nitrospira)가 얼마나 널리 분포되어 있는지, 이 종들이 열 스트레스로부터 자신을 보호하기 위해 어떤 전략을 사용하는지, 그리고 열 서식지와 비열 서식지에서 코맘목스 니트로스피라(comammox Nitrospira) 사이에 게놈적 차이가 있는지에 대한 질문으로 이어집니다.

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>