Подвиньтесь, цианобактерии! Крупномасштабное исследование земной поверхности океана показало, что микробы, ответственные за фиксацию там азота - ранее считавшиеся почти исключительно фотосинтезирующими цианобактериями - включают многочисленный и широко распространенный набор популяций нефотосинтезирующих бактерий.
Международное исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Nature Microbiology, возглавили А. Мурат Эрен (Мерен) из Чикагского университета и Морской биологической лаборатории (MBL), Вудс-Хоул, и Том О. Дельмонт из Чикагский университет.
Азотфиксация является критическим экологическим процессом, в ходе которого атмосферный азот превращается в аммиак, делая азот «биодоступным» для живых организмов, который можно использовать в качестве фундаментального строительного блока ДНК, РНК и белков.
«Микробы, которые могут фиксировать азот или углерод, находятся в центре экологии микробных сообществ во многих средах, включая поверхность океана», - говорит Дельмонт. «До нашего исследования считалось, что морские микробы, ответственные за фиксацию углерода, также в значительной степени ответственны за фиксацию азота. Оказывается, все не так просто».
«Способность микробов фиксировать азот жизненно важна для всей жизни», - говорит Дэвид Марк Уэлч, директор по исследованиям MBL. «Это исследование расширяет наше понимание биологического разнообразия фиксации азота, предоставляя первое геномное доказательство того, что нефотосинтезирующие бактерии на поверхности океана могут выполнять эти реакции».
Используя anvi'o, современную биоинформационную платформу с открытым исходным кодом для анализа метагеномов (пул последовательностей ДНК, которые представляют все микробные организмы, обнаруженные в окружающей среде), команда ранее неизвестные морские микробы со способностью фиксации азота, связанные с протеобактериями, а также с планктомицетами, распространенным бактериальным типом, который никогда раньше не был связан с фиксацией азота.
Эти недавно описанные микробные популяции широко распространены и особенно многочисленны в Тихом океане, где они составляют в среднем около 700 000 клеток на литр морской воды и до 3 миллионов клеток на литр, что на порядки больше, чем предыдущие оценки. для нецианобактериальных фиксаторов азота в открытом океане.
Используя данные, полученные в ходе экспедиции Tara Oceans с 2009 по 2013 год, Дельмонт и его коллеги реконструировали около 1000 микробных геномов из более чем 30 миллиардов коротких метагеномных последовательностей. Из этой 1000 геномов девять содержали шесть генов, необходимых для фиксации азота, но не имели генов, необходимых для фотосинтеза. Это первая геномная база данных нефотосинтезирующих микроорганизмов, обитающих в открытом океане и способных фиксировать азот.
Поскольку команда реконструировала и использовала почти полные геномы для своего исследования (вместо использования одного маркерного гена для фиксации азота), они смогли установить таксономическую принадлежность этих азотфиксирующих популяций. Они также могли бы исследовать их численность и закономерности распределения в океанах и морях, из которых были взяты образцы (Атлантический, Тихий, Индийский и Южный океаны, а также Средиземное и Красное моря)..
«Теперь мы можем использовать эти геномы популяций для управления лабораторным культивированием азотфиксирующих планктомицетов и протеобактерий из открытого океана», - говорит Дельмонт. «Это поможет нам понять условия, в которых они фиксируют азот, сложность их функционального образа жизни и другие аспекты их экологии, которые мы не можем понять, просто глядя на их геномы, гены и предполагаемые функции."
Мерен и Делмонт начали это исследование в Морской биологической лаборатории в 2015 году при поддержке Премии Лилли за инновации Чикагского университета. Мерен и его группа продолжают разработку anvi'o, программной платформы с открытым исходным кодом, используемой в этом и других исследованиях, посвященных изучению экологии и эволюции микробов с помощью сложных данных секвенирования окружающей среды.
«Экологические метагеномы дают нам неискаженный доступ к сложности встречающихся в природе микробных популяций», - говорит Мерен. «Хотя наша способность понять их зависит от наших молекулярных технологий и вычислительных инструментов, приятно видеть, как быстро продвигаются вперед, и еще так много предстоит открыть. в популяции окружающей среды, которые, вероятно, участвуют в одном из самых важных биохимических процессов, которые заставляют нашу планету двигаться».
«Это исследование - еще один пример того, как выделение геномов непосредственно из ДНК целых микробных сообществ меняет наше понимание микробного разнообразия», - говорит соавтор исследования Кристофер Куинс из Уорикского университета, Великобритания.