科研 | ISME: 海洋氨氧化古菌生物地理学中养分获取和能量保护的替代策略
编译：Rivc，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
氨氧化古细菌（AOA）是海洋中最丰富和普遍存在的微生物之一，主要控制硝化作用和氮氧化物的排放。尽管由氨氧化古细菌的化学自养生长的共同生理学结合在一起，但相应的高基因组和栖息地变异性表明其巨大的适应能力。在这里，我们比较了44种不同的AOA基因组，其中37种来自在不同地理位置收集的样本，另外7种是从深海的中古生代到古生代的宏基因组序列组装而成的。比较分析确定了七个主要的海洋AOA基因型群体，这些群体的基因含量与其独特的生物地理学相关。磷和氨的利用率以及静水压力被确定为驱动不同海洋区域海洋AOA基因型和基因含量变异的选择力。值得注意的是，AOA膦酸甲酯的生物合成基因跨越了不同的海洋省份，从而增强了它们在海洋甲烷生产中的重要性。我们共同比较了生理，基因组和宏基因组学，提供全球丰富的AOA的全面视图，以及它们对广泛的海洋和陆地生境的适应性能力。
论文ID
原名：Alternative strategies of nutrient acquisition and energy conservation map to the biogeography of marine ammoniaoxidizing archaea
译名：洋氨氧化古菌生物地理学中养分获取和能量保护的替代策略
期刊：ISME
IF：9.18
发表时间：2020.6
通讯作者：Anitra E. Ingalls
作者单位：华盛顿大学
实验设计
结果
在本研究中，分析和比较了从AOA培养物种测序或从环境基因组提取的总共44个基因组，这些基因组代表了所有已知的氨氧化丘脑化学级（表S1）。除先前已报道的30个基因组外，本研究还获得了七个海洋和两个陆地AOA培养基因组，以及五个来自海洋，地热和工程系统的MAG（表S1）。这些新的基因组来自不同的地理位置和栖息地，包括淡水和沿海海洋水柱和沉积物，深海沟水和温泉（图S1）。为了推断AOA菌株之间最可能的进化关系并完善未解决的生物分类群，我们使用了所有44个AOA基因组之间共有的71个单拷贝核心基因的多序列比对方法，构建了最大系统树。表S2）。尽管该树的拓扑结构与基于16SrRNA和amoA基因的单基因树的拓扑结构完全一致，并在Thaumarchaeota门中形成了四个基序水平谱系，但该树的分辨率更高。系统生物学分析清楚地区分了紧密相关的亚硝基硝普球菌菌株（图1）。从植物学树中可以看出，AOA的物种形成系统相同，包括另外21种高质量（完整性>90％，污染<5％）AOAMAG和SAG（图S2）。
长枝分类单元系统发育位置。 Ca.Cenarchaeum在很大程度上仍然是模棱两可的。 Cenarchaeumsymbiosum及其海绵宿主混淆了沿袭进化史的推论。但是，有一个自由生活的Ca.Cenarchaeum菌株HMK20更好地定义了该谱系的系统发育关系。 Ca.Cenarchaeum似乎与Nitrosopumilus / Nitrosarchaeum来自同一谱系（图1和S2）。同样，Ca的不确定隶属关系。已解决了从加州沿海水域富集的新型海洋AOA菌株Nitrosomarinus catalina SPOT01。虽然较早提出来代表独特的Ca. Nitrosomarinus属，系统生物学分析将其很好地归入Nitrosopumilus（图1和S2），以及Ca之间的平均核苷酸同一性（ANI）值。亚硝基水杨属和亚硝基水杨属（75-79％）与亚硝基水杨属（76-79％）的许多ANI值相当（图S3和表S3），表明这两个属在系统发育上是无法区分的。此外，两个先前定义的独特嗜热AOA物种Ca. Nitrosocaldus islandicus 3F和Ca. Nitrosocaldus cavascurensis SCU2，在它们的基因组中共有超过99.8％的相似性（图S3和表S3）。因此，这对基因组仅采样亚种水平的多样性，因此应完善其名称。一个出乎意料的发现是，从海沟（YT1，F8-1和F8-2）的睑板水域（> 6000 m）中回收的MAG与Nitrosopumilus密切相关，并与包含Ca的其他海洋AOA类群广泛分离。（图1和S2）。
图1.附属于Nitrosopumilales (蓝色)的Ca. Nitrosotaleales (绿色), Nitrososphaerales (黄色), 和 Ca. Nitrosocaldales (红色)的AOA物种系统基因组推断。
氨氧化微生物Thaumarchaeota的核心及全基因组
我们计算了所有AOA物种和代表AOA全球基因库的泛基因组共享的核心基因组（图2）。氨氧化Thaumarchaeota的核心基因组包含344个基因（图2b），包括与AOA的特征性中央代谢有关的关键途径基因，例如通过3-羟基丙酸酯/ 4-羟基丁酸酯循环的碳固定和钴胺素的生物合成。这些核心基因集仅占AOA物种基因组的一小部分。Nitrosocaldales基因组（78％ANI）。这些低核心基因组分数表明，大部分AOA基因组可能与特定于环境的功能有关，这些功能可能在不同的海洋和陆地生境中提供适应性优势。
可用数据集中的氨氧化丘脑全基因组共包含17,961个基因，对44种AOA物种基因组的比较分析表明，其泛基因组的采样远未达到饱和状态（图2c）。 AOA泛基因组拥有大量未知功能的推定和假设基因（图S7）。属于直系同源基因簇（COGs）功能类别氨基酸运输和代谢，转录以及能量产生和转化的辅助基因和独特基因是构成AOA基因全球库的最丰富的基因之一（图S7）。当仅考虑ANI范围在62–99％的25个海洋AOA物种基因组时，泛基因组由近8500个基因组成（图2a）。预计每对新的海洋AOA菌株进行测序后，平均每Mb约有111个新的独特基因被鉴定（图2a）。在另两个最丰富的海洋微生物群SAR11和原球菌中也观察到了开放的全基因组，具有丰富的遗传资源。值得注意的是，每个Mb海洋AOA物种基因组的新基因数量甚至比SAR11和Prochlorococcus物种计算的新基因数量更多，尽管它们的基因组差异程度相当。这些发现进一步突出了全球丰富的古细菌氨氧化剂之间广泛的基因组多样性。
图2. AOA核心基因组和泛基因组分析。
氨氧化和同化途径中核心和柔性基因的功能分析
尽管它们的基因组差异很大，但所有AOA物种都具有通过氨氧化产生能量的通用途径。我们发现，氨氧化，电子转移和氨同化途径的许多基本组成部分在所有海洋和陆地AOA基因组中大多数都是保守的，包括氨单加氧酶（AMO）的A和B亚基，醌还原酶，常规复合物III和IV，铁氧还蛋白以及复合物I（NADH：泛醌氧化还原酶），谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脱氢酶（图3和表S4）。相反，其他基因推断在调节，压力在不同级别的AOA物种之间，水的响应和氨的吸收变化很大（图3和表S4）。例如，只有亚硝基球菌属物种拥有额外的AmoC同源物拷贝，其假设是在缺乏营养的条件下提供类似伴侣的功能来维持AMO全酶的结构完整性（图3）。考虑到亚硝基硝基球菌对氨的亲和力通常很低，它们可能经常面临能量限制或饥饿。因此，这种适应性基因组特征可以使类似亚硝基球菌的AOA能够应对土壤中的间歇性能量胁迫。这些基因的缺乏表明它们比大多数自然环境中的氨气适应更高的氨浓度。
由于氨既用作氨氧化的能源，又用作生物合成的氮源，因此在适应不同的氧化还原和营养条件期间，这两个过程的精密调节必须维持AOA细胞的代谢和合成代谢平衡。我们发现所有AOA物种都编码大量的质体花青素样蛋白的基因库，这些蛋白似乎是与氨氧化有关的呼吸和电子转移反应所不可或缺的，以及预测参与氨同化调节的PII蛋白（图3和表S4）。在海洋和陆地AOA物种的转录组和蛋白质组中都观察到了许多这些基因的高表达，表明它们在AOA的呼吸和生物合成活动中起着至关重要的作用。我们发现，在不同顺序的AOA物种之间，编码质体蓝蛋白和PII蛋白的基因集存在很大差异（图3和表S4）。因此，这些蛋白质可能在整个Thaumarchaeota的进化过程中处于强大的多样化选择之下，氨氧化，电子转移和氮同化系统中的基因组变异可能反映了决定栖息地偏好的生态生理差异。
几项观察结果与突变的重大功能影响一致。我们在NirK中观察到的甘氨酸到丝氨酸突变位于该酶的铜结合位点附近（表S5），并且微传感器测量的NO浓度显示，在具有NirK突变的培养物中，NO的初始累积速率比早期在NirK培养物中观察到的高。这表明NirK直接参与NO代谢。如果当前的古细菌氨氧化模型是正确的[28、56、60]，则较高的酶促NO生成速率可能会缓解由氨氧化为羟胺时NO的可利用性造成的动力学限制，从而导致明显更高的比生长速率我们在进化的文化中观察到的（图S8）。同样，AMT中的突变可能反映了与在相对较高的氨浓度下连续生长有关的功能改变，这不是环境可得的。
图3 重构氨氧化、电子传递和氨同化的途径，强调氨氧化酶的保守性和独特性。
海洋AOA主要基因型的全球分布
通过对25种海洋AOA物种基因组的比较分析，我们可以定义海洋AOA的七个主要基因型组（潜在功能协会），它们代表河口和沿海地区，地表和深海以及深海6000米以下的古生水（图S10）。为了分析这些基因型在全球上层海洋中的分布模式，我们使用竞争片段募集来估算全球海洋元基因组数据集中海洋AOA基因型的基因组的相对募集，包括全球海洋采样（GOS）远征数据和塔拉海洋全球远征数据（2009-2013）。 GOS考察包含从地表水样品中回收的元基因组数据集，我们发现主要的海洋AOA种群沿近海-近海梯度移动（图4）。在河口地区，类似Nitrosopumilus的AOA含量最高，而在其他近海水域，其含量却较低（图4）。类似Nitrosopumilus（Ca. Nitrosomarinus）的AOA是沿海地区的主要基因型，而类Ca. Nitrosopelagicus的AOA代表了开放海表水域的主要种群（图4）。塔拉海洋探险队在不同海洋省份的多个深度进行了更广泛的全球规模的元基因组调查。塔拉海洋地表水样本的海洋AOA群落的总体分布和多样性模式与GOS样本大致相似（图4）。除了从浅水区收集的元基因组数据外，塔拉海洋调查还扩展到了近中生深度（250-1000 m），在那里发现WCB基因型主导了海洋AOA群落（图4）。值得注意的是，正如蒙特雷湾地表水所报道的那样[61]，WCB基因型在许多上升流地区的浅深度似乎很丰富（图4）。
除了调查上层海洋中海洋AOA基因型群的全球表面分布外，我们还分析了这些谱系从ALOHA站的上层带到Mariana Trench和Yap Trench的强生水的垂直分布，深度达8000 m（图5）。在ALOHA台站的分层良好的水柱中，我们发现在125 m的狭窄深度区间内有一个主要的种群移动，其中类Nitrosopelagicus AOA占了500 m，其中WCB基因型占主导（图5）。在整个暗海水柱中，WCB基因型始终丰富（图5）。在深沟水域中，与Nitrosopumilus密切相关的谱系似乎是最丰富的AOA基因型之一（图5）。这种基因型不仅限于海带区，而且在能量消耗丰富的海底和深海区也占整个AOA种群的很大一部分（图5）。该古生代基因型与其他上层AOA世系很好地分开，但与河口和沿海亚硝基浦菌属物种共享超过98％的16S rRNA基因序列同一性，并形成了一个有力支持的单亲姐妹群。系统基因树中的亚硝基古猿属（图1和S2）。因此，类Nitrosopumilus AOA似乎占据了广泛的海洋生境和深度，分别对应于不同的营养状况，温度和压力。我们假设遗传适应是导致其大量扩展到不同生态位的原因。
图4 主要海洋AOA基因型群在全球的分布。
图5 海洋AOA基因型群的深度分布(饼状图)以及相关的atp酶和氨转运体(AMT)类型(条形图)，从上海区到下海区.
海洋AOA生态位适应的遗传多样性
为了确定与栖息地特定适应以及形成海洋AOA种群之间基因组异质性的非生物和生物选择力相关的辅助和独特基因内容，我们将海洋AOA基因型群的地理分布与涉及的可变基因含量的模式联系起来应激反应，养分吸收和代谢柔韧性。最近对ATPase基因簇的比较分析表明，不同的海洋AOA基因型包含两种不同类型的ATPase，其亚基组成和结构存在显着差异。钙类似古猿的AOA编码古细菌型（A型）ATP酶，而来自深海的WCB-AOA则具有液泡样（V型）ATP酶。尽管在密切相关的类似鸭嘴兽类河口/沿海AOA和鸭眼形AOA基因型中均发现了保守的A型ATPase，但另外一个V型ATPase只存在于鸭嘴形AOA基因型中，这表明类似鸭嘴兽类AOA中的V-ATPase可能发挥作用在它们向深海的适应性扩展中起关键作用。
海洋AOA基因深度分布的另一个显着发现是在深海中缺少编码低亲和力（高Km）AMT的基因。尽管低亲和力和高亲和力的amt基因都存在于所有人工养殖的海洋AOA物种中，但从中古生水（O23）和古生水（YT1，F8-1和F8-2）中回收的高质量MAGs缺乏低亲和力的amt基因（表S4）。我们对整个水柱的宏基因组学调查进一步表明，低亲和力的AOA amt基因仅限于上层带，并且在200m以下的深度很少被发现。高亲和力AMT是居住在贫氨深海中的海洋AOA种群中唯一的氨吸收系统（图5）。在我们以前的工作中，我们表明，在低纳摩尔氨浓度或短期氨饥饿状态下，海马链球菌维持高亲和力amt基因的高表达水平，而在这些条件下低亲和力amt的表达受到抑制，表明认为，尽管N. maritimus都具有两种类型的氨吸收系统，但由于氨供应极少甚至根本没有，选择性地保留了高亲和力的AMT。此外，我们最近的发现表明，海洋AOA对氨的原位亲和力随深度的增加而增加。一致地，对于深海中的WCB-AOA和类Nitrosopumilus的强弹性AOA，高亲和力AMT在低亲和力AMT上具有比低亲和力AMT更强的选择优势，从而在氨浓度和通量较高的深度支持其异常高的底物亲和力（低Km值）极低甚至无法检测。
在Ca.Nitrosopelagicus的基因组中未发现编码高亲和力P转运系统的基因。从东北太平洋浅水区回收到的Nitrosopelagicus CN25和U25菌株。 AOA pstB基因仅富集在磷酸盐浓度极低的海域上层水域中，例如北大西洋西部和地中海，在这些地区，海洋AOA有望不断地与有限的磷酸盐竞争激烈（图6a）。因此，与高磷酸盐地区相比，这些海洋地区的海洋AOA似乎具有更好的应对P限制的能力。从这些贫P的海洋区域回收的大多数AOA pstB基因形成了一个与培养的AOA物种不同的单一种类组（图S13B）。此外，发现在这些低磷酸盐区域，AOA pit基因的频率最低（图6b）。低亲和力P转运蛋白基因的丧失可能是由于转运蛋白在高度贫营养的环境中没有选择优势或选择优势有限的结果。总之，我们的发现表明磷的可利用性是主导选择力，它推动了海洋AOA自然种群中基因组的多样化，并揭示了磷在构造其分布和生态学方面先前未被充分认识的作用。
结论
通过对生物地理学，栽培，实验室进化，基因组学和生理学的研究相结合，我们对与AOA适应性辐射进入多种生境相关的性状有了更全面的了解。特别是，通过将海洋AOA主要基因型的环境分布与它们的可变基因含量相关联，我们确定了几个可变基因，这些可变基因决定了与不同海洋区域中特定于生态系统的选择压力相关的性状。除了先前公认的控制海洋AOA种群分布和多样性的关键环境变量外，例如氨浓度，光照水平和活性氧种类，我们的数据表明磷酸盐浓度和静水压力驱动海洋AOA基因型和基因含量海洋中的变化。同样，磷的有效性已被确定为决定生态系统的主要选择压力，它决定着另外两个最丰富的海洋微生物原球菌和SAR11的磷相关基因含量和基因序列。我们的发现加强了获取有益营养清除基因的重要性，将其作为海洋生物的通用适应策略海洋营养受限区域的寡营养生物。与原肠球菌和SAR11与温带水生环境的主要关联不同，AOA的分布范围很广-从嗜热到中温生境，从陆地到海洋系统。我们的结果表明，基因和整个操纵子的广泛水平转移与它们的栖息地扩展密切相关，可能促进它们的适应性辐射进入各种生态位，包括跨越一定温度，pH，压力和养分利用率的生态位。
AOA通过控制其他微生物群落可利用的固定氮物种的形式并向海洋中依赖维生素的种群提供维生素，在塑造海洋环境中的生物多样性方面发挥重要作用。我们的数据表明，同时发生的WCBAOA与编码C-P裂解酶的细菌之间的相互作用可能对磷循环很重要，并且是深海甲烷的来源。我们的比较基因组学和宏基因组学分析也应指导未来的分离研究，表明培养耐压或耐压物种可能需要新的栽培策略，例如高压选择。反过来，海洋AOA和相关生物群的环境代表的文化收藏将有助于建立模型系统，以研究这些优势类群与其他生物之间的相互影响或竞争相互作用如何影响海洋和陆地生态系统的生物地球化学。
你可能还喜欢