Tengeri szivacsok, mint kloroflexi forró pontok: Genomikai betekintés és nagy felbontású vizualizáció egy bőséges és változatos szimbiózis kládon

Kristina Bayer

egy GEOMAR-Helmholtz Óceánkutató Központ, RD3-tengeri ökológia, RU-tengeri mikrobiológia, Kiel, Németország

Martin T. Jahn

egy GEOMAR-Helmholtz Óceánkutató Központ, RD3-tengeri ökológia, RU-tengeri mikrobiológia, Kiel, Németország

b Wuerzburgi Egyetem, a Theodor Boveri Biológiai Tudományok Intézetének képalkotási központja, Wuerzburg, Németország

Beate M. födém

egy GEOMAR-Helmholtz Óceánkutató Központ, RD3-tengeri ökológia, RU-tengeri mikrobiológia, Kiel, Németország

Lucas Moitinho-Silva

c Tengeri bioinnovációs központ, Új-Dél-Wales Egyetem, Sydney, Új-Dél-Wales, Ausztrália

Ute Hentschel

egy GEOMAR-Helmholtz Óceánkutató Központ, RD3-tengeri ökológia, RU-tengeri mikrobiológia, Kiel, Németország

d Christian-Albrechts University of Kiel, Kiel, Németország

Társított adatok

Páros szondatesztelés a FISH-CLEM megjelenítéshez. FISH-CLEM vizualizáció az A. aerophoba-hoz kapcsolódó mikrobaszeparációkkal, SAR202-specifikus szonda kékben és Caldilineae zöldben (A), SAR202 (kék) és Anaerolineae (piros) (B), valamint Anaerolineae (piros) és Caldilineae (zöld) ( C). A teszt hibridizációkat 10%, 20% és 30% FA koncentráció mellett végeztük, a próbák kolokalizációjának megfigyelése nélkül. cy, cianobakteriális autofluoreszcencia átfedésben van a SAR202 szonda kék jelével. Töltse le az FIG S1 TIF fájlt, 0,10 MB.

A szivaccsal társított Chloroflexi mind a 13 egyszeres amplifikációjú genomjának (SAG) 16S rRNS-génalapú filogenetikai fája és egy piros színnel látható metagenóm bin (S156). A filogenetikai hovatartozást a szomszédos csatlakozási módszerrel rekonstruáltuk 182 szekvenciából és maximum 1787 pozícióból (hézagokkal) (1500 pozíció hiányosságok nélkül) és a GTR + G + I modellből a MEGA7.0-ban. A vörös klaszterek szivacsspecifikus Chloroflexi klasztert képviselnek, míg a világosszürke klasztereket nem szimbiotikus Chloroflexi referencia szekvenciák építik. A kék fürtök tengervízből származó mintákból épülnek fel. A szürke klaszterek kulturálatlan klónszekvenciákból (világosszürke) vagy tenyésztett képviselőkből (sötétszürke) épülnek. Töltse le az FIG S2 TIF fájlt, 0,9 MB.

A fehérjefára használt hivatkozások riboszomális gének alapján. Töltse le az S1 táblát, DOCX fájl, 0,02 MB.

(A) A Chloroflexi törzs átlagos relatív mennyisége az összes vizsgált HMA szivacsban. (B) A Chloroflexi osztályok átlagos relatív bősége az összes vizsgált HMA szivacsban. (C) A szivacs földrajzi régió és a rendszertani rend hatása a kloroflexi közösségekre. Töltse le az S2 táblát, DOCX fájl, 0,02 MB.

IMG-alapú pálya rekonstrukció. Megjelennek az energia-elnyelő/-fogyasztó lépések és a kapcsolatok más utakkal. A töltött piték azt jelentik, hogy a megfelelő enzimeket azonosították/annotálták. Az üres piték azt jelentik, hogy az enzimeket nem azonosították. A számok az enzimek KEGG azonosítói. A szürke nyilak és számok azt mutatják, hogy az enzimet nem azonosították. A színek a hat genomot képviselik. (A) Glikolízis, majd piruvát oxidáció acetil-CoA-vá és acetát képződés. (B) Trikarbonsav (TCA) ciklus. (C) A cukor konverzióinak rekonstrukciója a pentóz-foszfát útvonalon (PPP). (D) Autotróf szénmegkötési útvonalak rekonstrukciója, beleértve a Wood-Ljungdahl (reduktív acetil-CoA út) és az Arnon-Buchanan út (reduktív citrátsav-ciklus) útvonalát. (E) Nitrogén anyagcsere. (F) A kén metabolizmusa. fd, ferredoxin; Q, kinon; HQ, hidrokinon. Letöltés FIG S3, TIF fájl, 0,6 MB.

Támogató szöveg az anyagcsere jellemzőiről. A központi anyagcsere, a cukortranszport és az anyagcsere, a kofaktorok és vitaminok importja és bioszintézise, az aminocukor és a nukleotid cukor anyagcseréje, a nukleotid anyagcsere, az aminosav bioszintézis és az anyagcsere (beleértve a lebomlást), a zsírsav anyagcsere, a peptidoglikán bioszintézis és az aromás degradációjának részletes leírása vegyületek. Letöltés S1 szöveg, PDF fájl, 2,0 MB.

Az aril-szulfatázok (és más szulfatázok) (A), a szénhidrát-aktív enzimek (CAZymes) (B) és az eukarióta-szerű fehérjék (ELP) (C) összes száma az Anaerolineae (SAG1B és S) osztályba tartozó hat vizsgált szivacshoz kapcsolódó Chloroflexi genomban A154), a Caldilineae (C141 és C174) és a SAR202 csoport (S152 és S156). A színek a hat genomot képviselik. AA, kiegészítő tevékenységek; CBM, szénhidrát-kötő modulok; CE, szénhidrát-észterázok; GH, glikozid-hidrolázok; GT, glikozil-transzferázok; PL, poliszacharid-liázok. Töltse le az S4 FIG, TIF fájlt, 0,1 MB.

A hat elemzett genomban kimutatott abszolút rengeteg szénhidrát-aktív enzim (CAZymes). Töltse le az S3 táblát, DOCX fájl, 0,04 MB.

Abszolút bőségű enzimek, amelyek esetleg részt vesznek a recalcitráns DOM lebomlásában. Töltse le az S4 táblát, DOCX fájl, 0,02 MB.

Az elemzett genomokban azonosított eukarióta-szerű fehérjék (ELP) (A) és szekunder metabolit géncsoportok (B) abszolút száma és relatív értéke. Töltse le az S5 táblát, DOCX fájl, 0,01 MB.

Az SAG-ok és a metagenomikus tartályok adatkészletei az NCBI Sequence Read Archive-ban érhetők el, a BioProject csatlakozási számok vagy azonosítók (ID-k) alatt, a PRJNA506133 és a PRJNA366444 - PRJNA366449 között. A teljes összeállított és kommentált adatok az IMG-től (https://img.jgi.doe.gov/) érhetők el a Gold Study ID-k alatt, a Gs0114494 és a Gs0099546 alatt (további részletekért lásd az 1. táblázatot).

ABSZTRAKT

FONTOSSÁG A kloroflexek széles körben elterjedt, mégis rejtélyes baktériumok, kevés termesztett taggal. Metagenomikus és egysejtű genomiális megközelítéseket használtunk a tengeri szivacsokban található Chloroflexi symbionts funkcionális génkészletének jellemzésére. Ennek a tanulmánynak az eredményei kládspecifikus metabolikus specializálódásra utalnak, és arra, hogy a Chloroflexi symbiontok genomikus potenciállal bírnak az oldott szerves anyagok (DOM) tengervízből történő lebontására. Figyelembe véve a szivacsok sokaságát és dominanciáját számos bentosikus környezetben, azt jósoljuk, hogy a szivacsszimbiontok szerepe a biogeokémiai ciklusokban nagyobb, mint azt korábban gondolták.

BEVEZETÉS

A szivacsok (Porifera) az egyik legrégebbi, még fennmaradt állati phylát képviselik. A fosszilis bizonyítékok azt mutatják, hogy léteztek a prekambriában jóval az összes többi állati phyla sugárzása előtt (1, 2). Manapság a szivacsok világszerte eloszlanak az összes vízi élőhelyen, a meleg trópusi zátonyoktól a hideg mélytengerig, sőt édesvizű tavakban és patakokban is jelen vannak (3). A szivacsokat egyre inkább a tengeri környezet fontos alkotóelemeként ismerik el, mivel óriási szűrőtáplálási képességük és a part menti táplálékhálókra gyakorolt hatásuk, valamint a biogeokémiai (pl. Szén, nitrogén) ciklusok miatt következik be (4, 5). Számos tengeri szivacs sűrű és sokféle mikrobiális konzorciumot tartalmaz extracelluláris mezohil mátrixukban. A mai napig 41 bakteriális phylát (köztük sok phylajelöltet) rögzítettek szivacsokból, a legutóbbi amplikon szekvenálási vizsgálatok szerint szivacs egyedenként akár 14 000 operatív taxonómiai egység (OTU) is felmerült (6, 7). A szivacsok a másodlagos metabolitok egyik legelterjedtebb természetes forrását képezik, amelyek kereskedelmi szempontból fontosak a gyógyszerek és az új gyógyszerek kifejlesztése szempontjából (8), és amelyeket gyakran a mikrobiális szimbiontok állítanak elő (9, 10).

Jelen tanulmányunkban a Chloroflexi-re összpontosítottuk metagenomikai elemzéseinket, mint a HMA szivacs mikrobiota bőséges és jellegzetes, ugyanakkor alulvizsgálott tagjait. A Chloroflexi törzs taxonómiailag és fiziológiailag nagyon sokféle vonalat tartalmaz, amelyek az élőhelyek (24, –27) széles skáláját népesítik be, beleértve a mélytengert (22), az uránnal szennyezett víztartó rétegeket (28), valamint az emberi szájüreget és a beleket (29, 30 ). A kloroflexi metabolizmusa nagyon változatos, kezdve az anoxigénes fotoszintetizátoroktól, a kötelező aerob/anaerob heterotrófoktól, a termofilektől, a halofilektől, a reduktív halogénezésre képes kládoktól és még a csúszó mozgású ragadozóktól is. Mivel csak néhány Chloroflexi törzset termesztettek (87), és mivel a huzat genomok száma korlátozott (22, 23, 32), a Chloroflexi sajátos funkciói a tengeri ökoszisztémán belül, de különösen a szimbionta összefüggésekben, nagyrészt ismeretlenek.

A Chloroflexi a HMA szivacs mikrobiota tagja, a SAR202, az Anaerolineae és a Caldilineae osztályok/kládok képviselői a leggyakoribbak (31). A Chloroflexi vizualizálása fluoreszcencia in situ hibridizációval (FISH) fényes és bőséges jeleket tárt fel (32, 33). Mivel a Chloroflexi valószínűleg fontos szerepet játszik a HMA szivacs holobiontban, a következő célkitűzéseket tűztük ki célul: (i) a jelenleg elérhető legnagyobb adatkészlet (Earth Microbiome Project [EMP] szivacs) felhasználásával felmérjük a relatív bőségüket és eloszlásukat a különböző HMA szivacsfajokban. mikrobiom [31]), (ii) a filogenetikai hovatartozásuk biztosítása, (iii) a funkcionális génkészlet jellemzése, különös tekintettel a széndegradációra és a szimbiotikus életmódra, és (iv) a kloroflexek vizualizálása a mezohilszövetekben a FISH ultrastrukturális felbontása mellett -korrelatív fény- és elektronmikroszkópos (CLEM) módszertan. A legkorszerűbb módszerek széles skáláját alkalmaztuk, a globális szivacsfelméréstől az egysejtes genomikáig és a mikroszkóppal, hogy átfogó betekintést nyerjünk a Chloroflexi symbionts életmódjába.

Eredmények és vita

Chloroflexi bőség a HMA szivacsokban.

Hőtérkép, amely bemutatja a Chloroflexi osztályok/kládok relatív rengetegségét 63 HMA szivacsban, amelyeket a Earth Microbiome Project (EMP) adataiból nyernek ki (31). A felső panel mutatja a Chloroflexi osztályok/kládok átlagos relatív bőségét az összes szivacsban (átlag ± szórás [hibasávok]). A jobb oldali panel megjeleníti a Chloroflexi törzs átlagos relatív bőségét a gépi tanulással meghatározott (halványzöld nevek és közepesen zöld sávok) és osztályozott (sötétzöld nevek és sávok) HMA szivacsokban (átlag ± szórás) (12). A bal oldalon találhatók a klaszteranalízis eredményei, amelyek Bray-Curtis eltérésein alapulnak az OTU-k átlagos relatív bőségén a törzsön belül. A szivacsokat csillagok jelölik, amikor az összes fajminta a három fő minta egyikének egyikéből származik.

A Chloroflexi metagenóm tárolók és az egyes amplifikált genomok filogenitása.

ASZTAL 1

Genomikai jellemzők áttekintése az A. aerophoba-hoz kapcsolódó Chloroflexi egyszeres amplifikált genomjairól (SAG) és metagenom-tárolóiról, valamint a legszorosabb relatív referenciagenomokról