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华南师范大学束文圣团队揭示新细菌目Ca. Acidulodesulfobacterales的生态作用

原核生物几乎占据了所有的环境生态位,并主宰了我们星球的大部分进化史,然而对于超过99%未能分离培养的微生物我们仍一无所知。

极端微生物,代表了从对极端环境生物体的适应机制,到生物地球化学的元素循环等许多学科研究的关键领域。极端微生物研究对生命起源的研究以及在寻找其他行星和天体上生命也有指导意义。是地球圈和生物圈之间动态循环的重要生物元素。能够催化硫和铁的氧化还原转化的微生物对地球演化产生了深远的影响。当黄铁矿和其他硫化物矿物暴露在地球表面的空气和水中时,微生物会催化氧化溶解作用的发生,产生酸性矿山排水(AMD)AMD的典型特征是极端的酸性和高浓度的金属和硫酸盐,它代表着极端的生态环境,也是一项重大的全球环境挑战。然而,在富含铁和硫的AMD生态系统还存在中许多含量丰富但未培养过的微生物,由于缺乏微生物分离物或基因组,这些微生物的生理、生物多样性和生态作用仍然是个谜,了解形成这种超酸性环境的过程以及该环境中生物体适应这种环境的能力是目前的研究热点。

2019年4月,华南师范大学束文圣团队在Nature集团旗下微生物生态学国际顶尖期刊《The ISME Journal》上发表了题为《Insights into ecological role of a new deltaproteobacterialorder Candidatus Acidulodesulfobacterales by metagenomics and metatranscriptomics》的文章。该研究从酸性矿山排水(AMD)宏基因组中通过分箱组装得到四个潜在新变形菌目的基因组草图(MAGs),他们的基因组大小在1.9到2.5Mb之间,完整度92-94%,污染率小于1%,并将该类群命名为Ca. Acidulodesulfobacterales然后调查了这些物种在中国东南部的AMD系统中的分布模式,并评估了影响Ca. Acidulodesulfobacterales空间分布模式的因素。此外,通过重建基因组的代谢途径并通过宏转录组学检测原位基因表达来探测这些新物种在自然界中的潜在作用,加深了对这个新细菌目的生物地理学、分类学多样性和生态作用的认识。

图1(图片来源:ISME)

在这项研究中,5个样本生成了大约434GB的宏基因组原始数据。Sva0485分支在所有样本中丰度都较高(4.7-61.5%),从中组装出了四个不同的基因组草图(MAG)组成,命名为AP1-4。AP1-4 在基于16Sr RNA构建的Delta-变形菌进化树中形成了一个独特的分支。AP1、AP2、AP3和AP4的16S rRNA序列相似度分别为97%和100%,而ANI值相对较低,分别为80%和73%。因此,作者提出AP1-4代表了一个新的目(order),并将其命名为Ca. Acidulodesulfobacterales。

图2 从宏基因组重建的Ca. Acidulodesulfobacterales的基因组。a. AMD样本的地理位置,以及ESOM图可视化宏基因组中重建的四个基因组。b.四种Ca. Acidulodesulfobacterales基因组的相对丰度。c.来自4个基因组分箱和delta-变形菌纲代表的16SrRNA基因的最大似然系统发育树,以及自然环境中Ca. Acidulodesulfobacterale的丰度分布模式。d. 四个重建基因组的系统发育关系。(图片来源:ISME)

 

AMD环境中Ca.Acidulodesulfobacterale的生物地理学分析

为了揭示酸性脱硫菌在AMD环境中的空间分布规律,作者对中国东南部59个AMD样品的测序数据进行了重新分析。Ca. Acidulodesulfobacterale存在于49个样品中,几乎是包含于所有的样品中。其总相对丰度占0.03-45.4%,不同样品之间存在较大差异。多变量模型分析表明,环境中亚铁的浓度是影响Ca. Acidulodesulfobacterale丰度的一个主要因素(占总影响值的22.6-30.6%)其次是纬度、硫酸、pH值,此外环境中铜和锌的含量也是重要的影响因素。

图3 Ca. Acidulodesulfobacterales的生态分布。a. 中国东南地区AMD中Ca.Acidulodesulfobacterales的相对丰度。b. 环境特征和地理距离对Ca. Acidulodesulfobacterales 相对丰度的影响(%)。(图片来源:ISME)

 

Ca.Acidulodesulfobacterales的代谢潜力

所有Ca.Acidulodesulfobacterales基因组中存在碳固定相关的还原三羧酸(rTCA)循环以及乳酸乙醇发酵相关途径。

 

转录分析证实编码柠檬酸-辅酶a合成酶的关键基因ccsAB在AP4中表达水平显著高于其他三个基因组,表明AP4是AMD群落中的重要自养生物

此外编码固氮酶的nifDKH基因以及氨的转运和同化相关amt、glnA和gltD基因在四个基因组中均有表达,说明Ca. Acidulodesulfobacterale具有固氮合成有机氮促进生长的潜力,且随着环境pH值的降低和铁离子含量的增加,固氮基因的表达显著增加。除固氮作用外,AP1、AP2和AP4还存在hcp基因可以还原羟胺生成氨。

AP1的基因组还能编码尿素转运系统和脲酶,表明AP1可以利用尿素此外,AP3通过表达norB和nosZ基因能够一氧化氮还原为氮。

至于硫代谢,Ca.Acidulodesulfobacterales不仅可以还原硫酸盐,还可以氧化硫化物,这取决于环境中的氧浓度和/或氧化还原电位。

此外,系统发育分析表明Delta-变形菌的成员通过多次基因横向转移事件获得了硫氧化dsrAB基因。在四个基因组中还存在编码丝氨酸乙酰转移酶和半胱氨酸合酶的基因,说明Ca. Acidulodesulfobacterales可以利用生成的硫化物合成半胱氨酸和乙酸酯以供生长需要。

至于铁代谢,基因组分析推测Ca. Acidulodesulfobacterales可通过cyt572-cyt579-cyc1途径氧化铁和转移电子。

此外在四个基因组中还发现了氧化磷酸化途径和氧分子末端氧化酶表明Ca. Acidulodesulfobacterales可能利用氧气进行呼吸作用。

 

图4 Ca. Acidulodesulfobacterales的代谢能力。图中显示了与碳,氮,硫和铁代谢相关的途径,以及氧化磷酸化,发酵途径和应激反应。(图片来源:ISME)

 图5 具有最高丰度(RPKM,左)和最高相对转录活性(RTA,右)的基因的表达谱。(图片来源:ISME)

 图6 a. Ca. Acidulodesulfobacterales的dsr操纵子。DsrAB蛋白的系统发育分析。b.Ca. Acidulodesulfobacterales中的dsr操纵子结构。(图片来源:ISME)

 

Ca. Acidulodesulfobacterales 的环境适应机制

Ca. Acidulodesulfobacterales可通过表达kdpABC、kup基因编码钾转运系统钾吸收蛋白质,通过介导钾离子的向内流动产生膜电位,以及通过代谢磷酸盐(pstSCAB)和精氨酸(pdaD)来应对高渗透压和强酸的环境,维持细胞质pH接近中性。

此外还存在基因cusABC、copB和czcD编码不同重金属转运蛋白来适应富含重金属离子的环境。

Ca. Acidulodesulfobacterales还可表达过氧还蛋白硫氧还蛋白还原酶的基因以及氧化应激蛋白细胞色素c551过氧化物酶硫醇过氧化物酶基因等来应对氧化应激胁迫。

 

结语:AMD是典型的极端环境,由于其pH值低,溶解金属浓度高,该生境的微生物必须适应极端的环境压力(包括酸、重金属和氧化)才能生存,这篇关于Ca.Acidulodesulfobacterales 就提供了很好的案例,相关研究还有助于我们了解生命的起源于进化,因为AMD生境与原始的地球环境相似。为了进一步了解Ca.Acidulodesulfobacterales的生理和遗传特性,将来的研究应致力于获得这些物种的纯培养物或混合培养物,以确认这些物种具体的生态功能。同时,应该扩大Ca. Acidulodesulfobacterales的测序基因组数量,以进一步解决其生物地理学、比较基因组学和进化相关的问题。

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41396-019-0415-y

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