Wawasan tentang metabolisme, gaya hidup, dan sejarah evolusi yang diduga dari filum archaeal 'diapherotrites' | jurnal isme

Wawasan tentang metabolisme, gaya hidup, dan sejarah evolusi yang diduga dari filum archaeal 'diapherotrites' | jurnal isme

Anonim

Subjek

  • Genomik kuno

Abstrak

Filum archaeal 'Diapherotrites' baru-baru ini diusulkan berdasarkan analisis filogenomik genom yang diperoleh dari rembesan air bawah tanah di sebuah tambang emas yang ditinggalkan (Homestake mine in Lead, SD, USA). Di sini kami menyajikan analisis rinci tentang kemampuan metabolisme dan fitur genomik dari tiga gen teramplifikasi tunggal (SAGs) milik 'Diapherotrites'. SAG yang paling lengkap, Candidatus 'Iainarchaeum andersonii' (Cand. IA), memiliki genom kecil (∼ 1, 24 Mb), panjang gen rata-rata pendek (822 bp), satu operon RNA ribosom, kepadatan pengkodean tinggi (∼ 90, 4%), persentase tinggi gen yang tumpang tindih (27, 6%) dan rendahnya insiden duplikasi gen (2, 16%). Cand. Genom IA memiliki kapasitas katabolik terbatas yang, bagaimanapun, secara teoritis dapat mendukung gaya hidup bebas dengan menyalurkan berbagai substrat yang sempit seperti ribosa, polihidroksibutirat dan beberapa asam amino ke asetil-koenzim A. Di sisi lain, Cand. IA memiliki kemampuan anabolik yang berkembang cukup baik, meskipun tetap bersifat auksotrofik untuk beberapa asam amino dan kofaktor. Analisis filogenetik menunjukkan bahwa mayoritas Cand. Gen anabolik IA diperoleh dari donor bakteri melalui transfer gen horizontal. Oleh karena itu kami mengusulkan bahwa anggota 'Diapherotrites' telah berevolusi dari leluhur simbiotik yang diwajibkan dengan memperoleh gen anabolik dari bakteri yang memungkinkan biosintesis independen molekul biologis yang sebelumnya diperoleh dari inang simbiotik. Gen 16S rRNA 'Diapherotrites' menunjukkan banyak ketidakcocokan dengan mayoritas primer 16S rRNA archaeal, sebuah fakta yang dapat bertanggung jawab atas kelangkaan yang teramati dalam set data amplicon yang dihasilkan. Rentang substrat yang terbatas, persyaratan pertumbuhan yang kompleks, dan laju pertumbuhan yang lambat diperkirakan dapat menyebabkan refraksi terhadap isolasi.

pengantar

Pandangan kami tentang keanekaragaman filogenetik dan distribusi ekologis anggota domain Archaea berkembang pesat. Secara historis, Archaea dianggap sebagai kumpulan ekstrofil yang hanya dapat berkembang di habitat ekstrem, misalnya, suhu tinggi (Huber et al., 1991; Jannasch et al., 1992; Antoine et al., 1995; Whitaker et al., 2003), salinitas tinggi (Oren et al., 1990; Cui et al., 2010; Goh et al., 2011; Inoue et al., 2011), pH rendah (Edwards et al., 2000; Dopson et al., 2004), kondisi anaerob yang ketat (Mikucki et al., 2003; Sakai et al., 2007) atau kombinasi keduanya (Huber et al., 1989; Itoh et al., 1999; Minegishi et al., 2008, 2013). Gagasan ini kemudian ditantang oleh survei keanekaragaman budaya-independen yang mendokumentasikan terjadinya Archaea di kedua ekstrim (Bond et al., 2000; Orphan et al., 2000; Benlloch et al., 2001, 2002; Baker dan Banfield, 2003 ) dan habitat beriklim sedang, misalnya, tanah (Bintrim et al., 1997; Walsh et al., 2005; Bates et al., 2011; Tripathi et al., 2013), lingkungan laut (DeLong, 1992; Fuhrman et al., 1992; Massana et al., 1997; Karner et al., 2001) dan ekosistem air tawar (Lin et al., 2012; Yergeau et al., 2012; Berdjeb et al., 2013; Bricheux et al., 2013; Silveira et al., 2013; Vila-Costa et al., 2013). Selain menetapkan keberadaan Archaea pada skala global, penelitian ini juga telah secara signifikan memperluas cakupan keanekaragaman filogenetik dalam domain ini, karena banyak dari sekuens yang diidentifikasi mewakili garis keturunan filogenetik tingkat tinggi yang baru (DeLong, 1992; Vetriani et al., 1999; Takai et al., 2001; Hallam et al., 2004; Elkins et al., 2008; Hu et al., 2011; Nunoura et al., 2011).

Pendekatan genomik lingkungan dan upaya isolasi khusus telah menghasilkan wawasan yang berharga tentang kemampuan metabolisme dan peran ekologis dari banyak garis keturunan baru ini (Hallam et al., 2004; Konneke et al., 2005; Elkins et al., 2008; Walker et al., 2010; Lloyd et al., 2013). Baru-baru ini, laju penemuan dan karakterisasi garis silsilah archaeal telah dipercepat secara signifikan, didorong oleh kemajuan metodologis dan komputasi baru-baru ini dalam penyortiran dan amplifikasi sel tunggal, metodologi pengurutan dan pendekatan binning dan perakitan baru yang memungkinkan rekonstruksi genomik yang efisien dari data urutan metagenomik (Dick et al. ., 2009; Wrighton et al., 2012; Rinke et al., 2013; Swan et al., 2013). Kemajuan ini mengarah pada identifikasi dan karakterisasi genomik dari beberapa garis keturunan archaeal novel tingkat tinggi yang sebelumnya lolos dari deteksi dalam 16S ribosomal RNA (rRNA) survei keanekaragaman gen karena kelimpahan relatif sangat rendah, distribusi terbatas atau ketidakcocokan dengan archaeal 16S rRNA urutan primer gen (Baker et al., 2010; Nunoura et al., 2011; Narasingarao et al., 2012). Penemuan ini mengharuskan penilaian ulang berdasarkan filogenetik dan filogenomik dari struktur taksonomi domain Archaea (Lake et al., 1984; Brochier-Armanet et al., 2008; Elkins et al., 2008; Ghai et al., 2011; Guy dan Ettema, 2011; Williams et al., 2012). Penilaian berdasarkan filogenomik terbaru dan komprehensif dari domain Archaea (Rinke et al., 2013) menggabungkan data dari 35 novel archaeal single amplified genome (SAGs) dengan genom archaeal yang sebelumnya diterbitkan untuk mengusulkan skema superphyla archaeal tiga. Superphyla ini adalah Euryarchaeota, superphylum TACK (mencakup Thaumarchaeota, 'Aigarchaeota', Crenarchaeota dan Korachaeota seperti yang disarankan sebelumnya; Guy dan Ettema, 2011; Williams et al., 2012) dan superphylum DPANN yang baru diusulkan.

Superphylum DPANN mencakup 'Nanoarchaeota' (Waters et al., 2003; Podar et al., 2013), satu-satunya filum DPANN dengan perwakilan berbudaya, serta kandidat filum 'Nanohaloarchaeota' (didefinisikan dari majelis metagenomik (Narasingarao dkk. ., 2012) dan SAGs (Ghai et al., 2011) dari lingkungan hipersalin); 'Parvarchaeota' (didefinisikan dari rakitan metagenomik dari drainase tambang asam; Baker et al., 2010), 'Aenigmarchaeota' (didefinisikan dari tiga SAG dari rembesan air tanah tambang Homestake tambang (Lead, SD, USA) dan sedimen Mata Air Besar; Rinke et al., 2013) dan 'Diapherotrites' (didefinisikan dari SAGs dari rembesan air tanah tambang Homestake; Rinke et al., 2013). Dengan demikian, superphylum DPANN mewakili koleksi filum yang menarik dengan preferensi fisiologis yang berbeda dan distribusi lingkungan, mulai dari spesies simbiotik dan termofilik wajib dalam 'Nanoarchaeota', ke kandidat filum acidophilic 'Parvarachaeota' dan untuk kandidat filum kandidat non-ekstrofilik 'Aenigmarchaeota' dan 'Diapherotrites'.

Di sini, kami menyajikan analisis rinci fitur genomik, metabolik dan ekologis dari tiga SAG milik 'Diapherotrites'. Kami menyajikan bukti perampingan genom serta kapasitas metabolisme yang terbatas dalam genom yang dianalisis. Kami juga menunjukkan prevalensi peristiwa transfer gen horizontal lintas kerajaan (HGT), dan berpendapat bahwa proses HGT mewakili mekanisme evolusi penting yang berkontribusi pada fitur genomik yang diamati, distribusi ekologis dan gaya hidup trofik yang diusulkan dari anggota filum ini.

Hasil

Fitur umum genom 'Diapherotrites'

Fitur umum Cand. Genom parsial IA dibandingkan dengan perwakilan sekuensing superfilum DPANN ditunjukkan pada Tabel 1. Cand. IA menunjukkan fitur genom umum yang sebelumnya diamati dalam genom DPANN (Baker dan Banfield, 2003; Waters et al., 2003; Narasingarao et al., 2012; Rinke et al., 2013). Ini memiliki genom yang relatif kecil (ukuran perkiraan ∼ 1, 24 Mb), panjang gen rata-rata pendek (822 bp), operon RNA ribosom tunggal, kepadatan pengkodean tinggi (∼ 90, 4%), persentase tinggi gen yang tumpang tindih (27, 6%, rata-rata tumpang tindih gen 4 bp), kisaran 1-12 bp) dan insiden duplikasi gen yang sangat rendah (2, 16%).

Tabel ukuran penuh

Fitur metabolik dari Cand. IA

Kapasitas katabolik

Analisis Cand. Genom IA menunjukkan bahwa ia memiliki potensi katabolik yang relatif terbatas. Genom tidak memiliki bukti untuk glikolisis lengkap, siklus asam tricarboxylic atau asam lemak rantai pendek atau degradasi alkohol. Namun demikian, genom menunjukkan kemampuan untuk menyalurkan beberapa substrat yang berbeda (valine, alanine, aspartate, ribose dan polyhydroxybutyrate) menjadi asetil (atau asil-) koenzim A (CoA), dan kemudian menghasilkan adenosin trifosfat (ATP) melalui asetil-KoA sintase (Gambar 1). Rincian jalur yang terlibat dalam proses ini disediakan dalam Teks Tambahan. Singkatnya, untuk degradasi asam amino, genom mengandung banyak transaminase yang memungkinkan konversi alanin, valin, dan aspartat menjadi 2-oksoasida yang sesuai. Dekarboksilasi oksidatif dari 2-oksoasid menjadi asil-KoA dapat terjadi melalui piruvat / 2-oksoasid: ferredoksin oksidoreduktase, atau oksaloasetat-dekarboksilasi malat dehidrogenase (EC: 1.1.1.38) diikuti dengan konversi ke dalam asam bebas yang sesuai melalui asil-CoA sintetase dengan produksi bersamaan 1 ATP. Siklus asam tricarboxylic yang tidak lengkap berpotensi mengisi 2-ketoglutarate untuk reaksi transaminasi.

Image

Rekonstruksi metabolik untuk genom Candidatus Iainarchaeum andersonii. Garis ganda di sekeliling sel menggambarkan membran sel. Kemungkinan jalur penghasil ATP katabolik diperlihatkan dalam kotak biru muda, dan lokasi produksi ATP ditunjukkan dengan warna merah. Substrat potensial ditunjukkan dalam kotak, dan termasuk asam amino alanin, valin dan aspartat, ribosa gula 5C dan polihidroksibutirat. AcAc, asetoasetat; AcAc-CoA, acetoacetyl-CoA; Fdx, ferredoxin; 3-OHTapi, 3-hidroksibutirat. Komponen rantai transpor elektron ditunjukkan dengan warna kuning. ATPase, pompa ATPase tipe-V; CoxII, sitokrom oksidase subunit II; DsbD, ikatan disulfida oksidoreduktuktase D; PlC, plastocyanin; PPase, pyrophosphatase anorganik; Thrdx, thioredoxin; Thrdx red, thioredoxin reductase. NADPH berpotensi bertindak sebagai donor elektron ke ETC. Kemungkinan lokasi produksi NADPH dalam sel termasuk enzim reduktase merkuri (Mer Red). Semua transporter yang diprediksi dengan fungsi yang diketahui ditampilkan. (1) Jalur sekretori: komponen jalur Sec ditampilkan dalam warna hijau, sedangkan komponen rakitan pili tipe IV ditunjukkan dalam warna oranye. (2) Transporter: eksportir ditampilkan dalam warna abu-abu termasuk antiporter sekunder, transporter ABC, STT3 eksportir oligosakarida, sedangkan importir ditampilkan dalam warna merah termasuk transporter yang difasilitasi AmhT dan CorA, saluran keluarga MscS, MscL dan ClC, sistem transportasi ABC untuk tiamin dan sulfonat / nitrat / bikarbonat serta pengangkut besi besi FeoB dan Ftr1 untuk perakitan Fe-S. AmhT, untuk amonium; ClC, keluarga saluran klorida; CorA, untuk kobalt; MscL, mechanosensitive besar; MscS, mechanosensitive kecil. Peptidase ditampilkan dalam warna ungu.

Gambar ukuran penuh

Cand. IA juga tampaknya memiliki kemampuan untuk degradasi ribosa (Gambar 1), di mana ribosa berpotensi diaktivasi oleh ribokinase dan ribose-5-phosphate pyrophosphokinase. Kehadiran tipe III ribulosa-1, 5-bisphosphate carboxylase (Rubisco) di Cand. Genom IA menyarankan penggunaan jalur metabolisme adenosin monofosfat (AMP) baru yang disarankan oleh Aono et al. (2012). Kombinasi aktivasi ribosa dan enzim penyelamatan AMP akhirnya mengarah pada produksi 3-fosfogliserat yang dimasukkan ke dalam lengan bawah glikolisis dan selanjutnya mengarah ke produksi ATP seperti dijelaskan di atas. Proses menghasilkan produksi bersih 2 ATP / ribose (Teks Tambahan).

Sumber karbon dan energi potensial untuk Cand. IA adalah polyhydroxybutyrate (PHB), senyawa penyimpanan yang diproduksi oleh banyak bakteri dalam kondisi kelebihan karbon. Genom mengkode PHB depolymerase hilir, dan tumpang tindih dengan, gen coding-matrix transmembran (peptidase family M10) (Visse dan Nagase, 2003; Rawlings et al., 2014), yang dikenal untuk menghidrolisis komponen matriks ekstraseluler. Oleh karena itu, tampak bahwa matrixin digunakan oleh Cand. IA memecah kulit protein butiran PHB, dan PHB yang dilepaskan selanjutnya didepolimerisasi menjadi β-hidroksibutirat. Β-hydroxybutyrate yang dihasilkan berpotensi teroksidasi menjadi asetoasetat (menggunakan dehidrogenase yang tergantung NAD milik keluarga GFO / IDH / MOCA (pfam 01408)), diikuti dengan aktivasi asetoasetat menjadi asetoasetil-KoA menggunakan asil-KoA menggunakan sintase asil-KoA. Aksi bersama acetyl-CoA C-acetyltransferase dan acetyl-CoA synthetase mengubah acetoacetyl-CoA menjadi dua molekul asetat dengan produksi ATP yang bersamaan.

Akhirnya, masuk akal kalau Cand. IA mungkin juga menggunakan rantai transpor elektron yang dimodifikasi, mirip dengan yang baru-baru ini disarankan untuk kandidat divisi TM6 (McLean et al., 2013). Rantai akan melibatkan ikatan disulfida oksidoreduktuktase D (DsbD), reduktase tioredoksin-disulfida (NADPH) (EC 1.8.1.9) dan tioredoksin sebagai substrat awal (NADPH) oksidoreduktase, plastocyanin sebagai potensial yang setara dengan sitokrom dan sitokrom c oksidase sebagai terminal potensial. oksidase. Pyrophosphatase anorganik dan semua subunit ATP synthase tipe-V berpotensi dapat menggunakan gaya motif proton yang dihasilkan melintasi membran untuk sintesis ATP (Gambar 1 dan Teks Tambahan).

Potensi anabolik

Meskipun potensi katabolik Cand. IA tampaknya agak terbatas, genom menunjukkan mesin anabolik yang cukup berkembang. Cand. Genom IA menunjukkan kapasitas untuk biosintesis beberapa karbohidrat, asam amino, lipid, nukleotida serta beberapa kofaktor (Gambar 1, Tabel 2 dan Tabel Tambahan S3). Cand. Genom IA mengkodekan jalur glukoneogenik parsial hingga tingkat fruktosa-6-fosfat. Genom menunjukkan bukti untuk mensintesis sebagian besar asam amino dengan pengecualian lisin, sistein, metionin dan asam amino rantai cabang (Gambar 1 dan Tabel 2). Selain itu, semua enzim yang penting untuk arkeol, lipid membran archaeal, biosintesis dari asetil-KoA melalui jalur mevalonat dikodekan dalam genom. Cand. Genom IA menunjukkan bukti biosintesis beberapa kofaktor (riboflavin, fosfat piridoksal, nikotinat dan nikotinamid, koenzim A dan ferredoksin) dan nukleotida (bukti lengkap untuk biosintesis de novo nukleotida pirimidin, bukti parsial untuk purin). Akhirnya, semua enzim yang diperlukan untuk perakitan Fe-S dan pematangan protein Fe-S juga dikodekan oleh genom.

Tabel ukuran penuh

Transporter dan peptidase ekstraseluler

Meskipun jumlah transporter dikodekan oleh Cand. Genom IA cukup terbatas ( n = 54), mereka tampaknya mampu menyerap beberapa kation dan anion (Teks Tambahan). Beberapa transporter milik keluarga transporter dengan substrat yang tidak teridentifikasi dianotasi sebagai protein membran dengan fungsi yang tidak diketahui dan karenanya mungkin terlibat dalam pengangkutan asam amino, gula atau kofaktor dimana Cand. IA tampaknya bersifat auksotrofik. Genom juga mengkodekan berbagai peptidase yang terkait dengan ekstraseluler dan membran (lihat Teks Tambahan untuk lebih jelasnya) yang mungkin bertindak untuk memotong peptida ekstraseluler, dengan hasil oligopeptida dan asam amino yang kemudian diangkut ke dalam sel dan digunakan untuk melengkapi auxotrophies dan / atau produksi ATP .

HGT di Cand. IA

Analisis metabolik yang dijelaskan di atas dengan jelas menunjukkan bahwa Cand. Genom IA memiliki kemampuan metabolisme yang relatif terbatas dibandingkan dengan copiotroph archaeal dan oligotrof yang hidup bebas. Namun demikian, tidak seperti model mewajibkan simbion archaeal dalam 'Nanoarchaeota' (' Nanoarchaeum equitans ' dan 'Nanoarchaeota' strain Nst1; Podar et al., 2013), tampaknya memiliki jalur yang memungkinkan untuk produksi independen ATP dan biosintesis beberapa metabolit kunci. Untuk memeriksa apakah kapasitas metabolisme yang diamati dalam Cand. IA adalah karena proses evolusi reduktif hilangnya gen dari leluhur yang secara metabolik serba guna, atau karena akuisisi gen oleh leluhur yang secara metabolik terbatas, kami menganalisis kejadian dan prevalensi kejadian HGT dalam Cand. Genom IA. Karena terbatasnya genom yang mewakili superphylum DPANN, identifikasi insiden HGT dari donor archaeal tidak memungkinkan. Oleh karena itu, analisis kami terbatas pada identifikasi gen yang memiliki asal nonarchaeal dalam Cand. Genom IA.

Cand. Genom IA menunjukkan persentase protein yang lebih tinggi (25, 4%, n = 305) dengan bakteri pertama Blastp hit pertama dibandingkan dengan semua genome archaeal lain yang diperiksa (yang berkisar dari 1, 44% dalam ' Nanoarchaeum equitans ' hingga 16, 9% di Candidatus Micrarchaeum acidiphilum ARMAN2; Gambar 2a). Persentase besar yang tidak proporsional (116 dari 196) gen terkait metabolisme dalam Cand. Genom IA berasal dari bakteri, dengan sebagian besar gen metabolik ini (86 dari 116) terlibat dalam jalur biosintetik (Gambar 2b). Analisis kemungkinan maksimum dari afiliasi filogenetik dari 21 protein anabolik 'Diapherotrites' mengkonfirmasi asal bakteri putatif mereka (Tambahan Gambar S1). Analisis terperinci tentang dampak HGT pada setiap jalur metabolisme yang diperiksa dirangkum dalam Tabel 2 dan Tabel Tambahan S3. Dari 26 jalur metabolisme yang diperiksa, 21 menunjukkan bukti HGT dengan setidaknya satu gen di jalur dengan bakteri Blastp yang pertama kali terkena. Dalam beberapa kasus, seluruh jalur metabolisme sepenuhnya berasal dari bakteri, misalnya, biosintesis treonin, histidin, arginin, dan prolin. Dalam jalur lain, sebagian kecil gen berasal dari bakteri; tetapi gen-gen ini tampaknya memediasi langkah-langkah kritis / menentukan jalur, misalnya, depolimerase PHB dalam jalur degradasi PHB dan fosfoenolpiruvat sintase dalam glukoneogenesis. Perlu dicatat bahwa banyak jalur metabolisme yang dipengaruhi oleh HGT tidak hadir dari ' Nanoarchaeum equitans ', model Nanoarchaeal mewajibkan endosimbion (Tabel 2 dan Tabel Tambahan S3). Analisis filogenetik menunjukkan beberapa filum bakteri sebagai donor gen potensial untuk Cand. Genom IA (Tabel 2), meskipun dalam gen HGT diperoleh, gen yang tumpang tindih serta gen dengan banyak salinan biasanya tampak memiliki donor bakteri yang sama.

Image

( a ) Distribusi filogenetik dari serangan pertama Blastp non-diri pada protein Candidatus Iainarchaeum andersonii dibandingkan dengan perwakilan filum archaeal lainnya. ( B ) Distribusi filogenetik pada tingkat domain dari Blastp non-self hit pertama protein Candidatus Iainarchaeum andersonii yang diklasifikasikan berdasarkan kategori metabolik pada sumbu X. Jumlah total protein yang termasuk dalam setiap kategori ditampilkan di atas setiap kolom.

Gambar ukuran penuh

Secara kolektif, gen yang diperoleh memungkinkan Cand. IA untuk: (1) mensintesis alanin, treonin, arginin, prolin, histidin dan asam amino aromatik, nukleotida purin dan pirimidin dan kofaktor piridoksal fosfat, (2) untuk mengubah pterin menjadi folat, (3) untuk mengambil dan mengaktifkan tiamin, ( 4) untuk memecah protein secara ekstraseluler dan berpotensi menyerap oligopeptida dan asam amino yang dihasilkan dan (5) untuk memanfaatkan alanin dan valin sebanyak mungkin C dan sumber energi, dan untuk mendepolimerisasi PHB. Hasil ini menunjukkan bahwa peristiwa lintas kerajaan HGT mewakili mekanisme penting yang berkontribusi untuk meningkatkan kapasitas metabolisme Cand. IA.

Arsitektur genom dan pola distribusi COG di Cand. Genom IA

Berbagai fitur genom dan pola distribusi COG dalam genom mikroba telah berhasil dikorelasikan dengan gaya hidup trofik yang diduga, misalnya, oligotropi, copiotropi (Giovannoni et al., 2005; Lauro et al., 2009; Swan et al., 2013) serta simbiosis obligat (Moran dan Wernegreen, 2000; Shigenobu et al., 2000; Akman et al., 2002; Tamas et al., 2002; Moran et al., 2003; Waters et al., 2003; Moya et al., 2008 ; Nikoh et al., 2011; Hendry et al., 2013; Podar et al., 2013). Dalam upaya menguraikan gaya hidup tratif diduga Cand. IA, kami menggunakan PCA untuk membandingkan Cand. Genom IA dengan 19 genom archaeal lainnya (Tabel Tambahan S2) yang meliputi oligotrof obligat, obligat symbionts archaeal, copiotroph yang tumbuh cepat, serta copiotroph archaeal yang tumbuh lambat (kelompok laut MCG dan Thermoplasmatales, kelompok MBG-D yang kaya C-rich) sedimen laut). PCA biplot (Gambar 3) menunjukkan bahwa, secara umum, genom mengelompok sesuai dengan gaya hidup trofik mereka menjadi empat kelompok utama: copiotroph yang tumbuh cepat, copitroph yang tumbuh lambat, mewajibkan oligotrof dan mewajibkan simbion, dengan yang belakangan sangat berbeda dan berkelompok jauh dari genom lainnya. Ini diharapkan sebagai simbol archaeal menunjukkan pengurangan dramatis dalam metabolisme terkait dan perluasan dalam keluarga gen yang berhubungan dengan pemrosesan informasi (Waters et al., 2003; Podar et al., 2013).

Image

Biplot PCA dari fitur genom dan distribusi kategori COG dalam genom dibandingkan. Genom diwakili oleh simbol sesuai dengan gaya hidup trofik mereka. Daftar genom, serta fitur yang digunakan dalam analisis ini, dan gaya hidup trofik disajikan pada Tabel S2 Tambahan. Panah mewakili fitur genom atau kategori COG yang digunakan untuk perbandingan. Arah panah mengikuti kelimpahan maksimal, dan panjangnya sebanding dengan laju perubahan maksimal antar genom. Dua komponen pertama menjelaskan 75% variasi. Oligotrof Obligate dari Thaumarchaeota (digambarkan oleh lingkaran) berkerumun bersama karena berlimpahnya asam amino, nukleotida dan metabolisme yang berhubungan dengan koenzim serta modifikasi pasca-translasi dan protein terkait transkripsi, copiotroph (digambarkan oleh empat persegi panjang) dikelompokkan bersama terutama karena dari ukuran genomnya yang besar dan persentase protein membran yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan kelompok lain, dan copiotrof yang tumbuh lambat dari Thermoplasmatales (digambarkan oleh segi enam) dikelompokkan bersama karena ekspansi membran serta protein ekstraseluler konsisten dengan laporan sebelumnya yang lebih tinggi persentase transporter membran dan peptidase ekstraseluler pada genom tersebut (Lloyd et al., 2013). Genom parvarchaeota (digambarkan oleh bintang-bintang) dan genom Nanohaloarchaeota (digambarkan oleh oval) juga berkerumun dekat dengan copiotroph yang tumbuh lambat. Akhirnya, dua simbion obligat dari Nanoarchaeota (digambarkan oleh segitiga) berkerumun bersama dari semua genom lainnya terutama karena ekspansi protein terkait terjemahan. Genom Candidatus Iainarchaeum andersonii diwakili oleh lingkaran merah dan memiliki posisi sedang dalam plot. F, metabolisme nukleotida kategori COG; G, metabolisme karbohidrat kategori COG; Mb, ukuran genom.

Gambar ukuran penuh

Cand. Genom IA tidak mengelompok dengan salah satu kelompok di atas dalam biplot PCA, melainkan menunjukkan posisi yang berbeda antara symbionts nanoarchaeal obligat dan oligotrof archaeal. Posisi ini merupakan refleksi dari representasi protein yang berhubungan dengan replikasi, modifikasi pasca-translasi dan metabolisme nukleotida yang berlebihan dibandingkan dengan genom lain, serta representasi protein translasi terkait yang berlebihan dibandingkan dengan semua genom lain dengan pengecualian ' Nanoarchaeota '. Posisi Cand. IA dalam kuadran yang sama dengan simbion dan oligotrof archaeal merupakan cerminan dari karakteristik genomik perampingan yang sama, misalnya ukuran genom yang lebih kecil dan persentase protein membran sel yang secara signifikan lebih rendah, jika dibandingkan dengan copiotroph. Namun, ada perbedaan yang mencolok antara Cand. IA dan oligotrof khas dan mewajibkan simbion. Dibandingkan dengan genom ' Nitrosopumilis maritimus' (model archaeal oligotroph), Cand. Genom IA memiliki replikasi, penerjemahan, transkripsi, metabolisme nukleotida yang berlebihan, perdagangan dan sekresi intraseluler dan biogenesis dinding sel serta protein yang ditakdirkan untuk dinding sel, dan representasi transduksi sinyal yang kurang, mekanisme pertahanan, energi, asam amino, koenzim, COGs ion anorganik dan metabolisme sekunder serta transporter dan protein ekstraseluler (Gambar 3 dan Tabel Tambahan S2). Demikian pula, dibandingkan dengan genom ' Nanoarchaeum equitans' (model archaeal obligate symbiont), Cand. Genom IA memiliki genom yang lebih besar, representasi energi, asam amino, nukleotida, karbohidrat, koenzim, lipid dan metabolisme ion anorganik yang berlebihan, biogenesis dinding sel dan COGs transduksi sinyal, dan COGs penerjemahan, replikasi, dan modifikasi pasca-translasi yang kurang. Menariknya, banyak dari ciri-ciri yang menentukan ini antara simbion kuno dan Cand. IA dapat dimediasi oleh akuisisi gen melalui HGT seperti dijelaskan di atas. Posisi berbeda dari semua genom DPANN yang dianalisis mencolok, dan menggarisbawahi tingginya tingkat keragaman dalam arsitektur genom, potensi metabolisme dan gaya hidup trofik dalam superphylum DPANN (Rinke et al., 2013).

Distribusi global 'Diapherotrites'

Gen 16S rRNA yang diperoleh dari tiga rakitan genom SAG 'Diapherotrites' lebih pendek (panjang rata-rata 1312 bp) dibandingkan dengan rekan archaeal lainnya, terutama karena tidak adanya basa yang sesuai dengan 1-20 dan 1381-1540 di Methanobacterium formimicum (Gutell et al., 1985). Oleh karena itu, primer gen 16S rRNA yang menargetkan wilayah ini (misalnya, A1F, U1406R dan U1510R) (Baker et al., 2003) secara teoritis akan gagal mengidentifikasi anggota 'Diapherotrites'. Lebih lanjut, dalam gen 16S rRNA yang diperpendek ini, ketidaksesuaian dengan hampir semua primer gen 16S rRNA yang diketahui spesifik archaeal atau universal diidentifikasi dalam ketiga rakitan genom SAG 'Diapherotrites' yang tersedia, dengan pengecualian 109F, 515F, dan 534R (Tabel 3). Dengan ketidakcocokan dengan primer yang diketahui, sekuens 'Diapherotrites' secara teoritis akan terlewatkan dalam survei berbasis PCR yang bebas kultivasi. Memang, perbandingan 'Diapherotrites' dengan gen rRNA yang dihasilkan Sanger, hampir-panjang-penuh yang disimpan dalam basis data GenBank dan gagal untuk mengidentifikasi sekuens gen 16S rRNA apa pun yang terkait dengan Diapherotrites. Selain itu, dalam set data 16S rRNA yang dihasilkan menggunakan pasangan primer 926wF dan 1392R dari sampel yang sama dari mana tiga SAG 'Diapherotrites' diperoleh, tidak ada urutan gen 16S rRNA Diapherotrites yang diamplifikasi (Tabel Tambahan S4). Selain itu, dalam koleksi 31 972 882 urutan generasi berikutnya archaeal mencakup 58 habitat dan 775 set data, hanya 66 urutan yakin percaya diri ditugaskan ke filum 'Diapherotrites' dari 3 studi yang berbeda, di mana mereka diidentifikasi dalam tanah sawah (Feng et al., 2013), tiga tanah yang berbeda (Portillo et al., 2013) dan pabrik pengolahan air limbah (Vishnivetskaya et al., 2013).

Tabel ukuran penuh

Akhirnya, kami menggunakan penahan filogenetik untuk mengidentifikasi keberadaan anggota 'Diapherotrites' dalam set data metagenomik yang tersedia untuk umum ( n = 893). 'Diapherotrites' hanya diidentifikasi dalam beberapa lingkungan (11 dari 893 dianalisis). Ini termasuk tanah hutan Amazon, sedimen bakau di Pulau Isabella, danau Sakinaw, sedimen laguna Etoliko dan matras merah gunung berapi Kolumbo (Gambar Tambahan S2). Dalam studi ini, 'Diapherotrites' selalu diidentifikasi sebagai bagian yang sangat kecil dari komunitas (<0, 006% dari pembacaan metagenomik berlabuh).

Diskusi

Dalam penelitian ini, kami menyajikan analisis terperinci kemampuan metabolik dan fitur genomik dari tiga SAG milik filum archaeal yang baru-baru ini diusulkan 'Diapherotrites', serta survei distribusi diduga anggota filum ini menggunakan pendekatan penambangan basis data. Analisis genomik terperinci kami tentang SAG Cand 'Diapherotrites'. IA mengungkap bukti untuk pelurusan genom: prevalensi kejadian HGT, terutama pada gen yang berhubungan dengan metabolisme; kemampuan katabolik terbatas dengan hanya beberapa substrat yang berpotensi digunakan untuk produksi ATP; dan representasi terbatas anggota filum ini dalam set data yang dihasilkan amplikon dan metagenomik.

Banyak fitur perampingan genomik yang diamati pada Cand. Genom IA, seperti ukuran genom kecil, daerah intergenik kecil, insiden rendah duplikasi gen dan rendahnya jumlah rRNA operon, telah dikaitkan dengan gaya hidup trofik spesifik, terutama oligotropi dan simbiosis obligat (Giovannoni et al., 2005; Lauro et al., 2005), 2009; Walker et al., 2010; Grote et al., 2012; Swan et al., 2013), di mana mereka tampaknya merupakan cerminan dari aksesibilitas nutrisi, serta terjadinya penyimpangan genetik pada symbionts obligat ( Mira et al., 2001; Wernegreen, 2002; Giovannoni et al., 2005; Oakeson et al., 2014). Namun, analisis komparatif terperinci dari metabolisme dan fitur genomik Cand. IA mengungkapkan perbedaan yang menonjol jika dibandingkan dengan genom dari model archaeal obligate symbionts dan oligotrophs.

Dibandingkan dengan genom model archaeal obligat symbiont ' Nanoarchaeum equitans ', Cand. Genom IA memiliki beberapa kemampuan katabolik yang memungkinkan produksi ATP dari beberapa substrat (valin, alanin, aspartat, ribosa, dan PHB) (Gambar 1, Tabel 2, dan Teks Tambahan). Kemampuan seperti itu sama sekali tidak ada dari genom ' N. equitans ' (Waters et al., 2003). Lebih penting lagi, Cand. IA memiliki mesin anabolik yang memungkinkan untuk biosintesis beberapa asam amino, nukleotida dan kofaktor (Gambar 1, Tabel 2 dan Teks Tambahan); sebuah fitur yang tidak ada dalam ' N. equitans ' karena ketergantungannya pada inangnya untuk memasok metabolit tersebut (Waters et al., 2003).

Berbeda dengan oligotrof archaeal yang memiliki banyak kemampuan transportasi, mesin biosintesis esensial yang dikembangkan dengan baik serta jalur metabolisme sentral lengkap (Walker et al., 2010; Nunoura et al., 2011), Cand. IA menunjukkan kemampuan transportasi yang lebih rendah (Tabel S2 Tambahan), tingkat auxotropi yang lebih tinggi dan jalur yang tidak lengkap dan / atau kurang berkembang (misalnya, rantai pernapasan, siklus asam trikarboksilat dan jalur pentosa fosfat). Selanjutnya, kemampuan katabolik Cand. IA tampaknya diarahkan untuk memanfaatkan substrat yang lebih umum di habitat non-oligotropik. Misalnya, ribosa, yang merupakan produk lisis RNA, mungkin lebih tersedia di lingkungan non-oligotropik yang ditandai dengan tingkat pergantian sel dan lisis yang lebih tinggi. Memang, baik pengangkut dan pola pemanfaatan karbohidrat dari clade SAR11 yang terdiri dari bakteri laut oligotrofik menunjukkan ketidakmampuan untuk mengambil dan memanfaatkan karbohidrat (termasuk ribosa) sebagai sumber karbon dan energi (Jiao dan Zheng, 2011). Demikian pula, PHB adalah molekul penyimpanan yang diproduksi oleh beberapa spesies bakteri sebagai respons terhadap kelebihan karbon atau keterbatasan nutrisi lain, misalnya, nitrogen atau fosfor (Jendrossek dan Handrick, 2002), dan karenanya diharapkan ada di C- lingkungan yang kaya (Jendrossek dan Handrick, 2002).

Analisis distribusi ekologis global anggota 'Diapherotrites' mengidentifikasi keberadaannya hanya dalam beberapa lingkungan (Gambar Tambahan S2). Namun, pola yang diamati ini dari kekurangan sekuens 'Diapherotrites' dalam set data yang dihasilkan amplikon atau metagenomik dapat dipengaruhi oleh ketidakcocokan yang diidentifikasi dengan primer gen 16S rRNA yang paling umum digunakan (Tabel 3), atau jumlah terbatas 'Diapherotrites' referensi sekuens tersedia untuk berfungsi sebagai substrat untuk analisis penahan filogenetik, masing-masing. Namun demikian, pemeriksaan asal dan status trofik habitat di mana 'Diapherotrites' diidentifikasi menunjukkan preferensi mereka terhadap lingkungan non-oligotrofik (misalnya, tikar mikroba, hutan produktivitas tinggi, pabrik pengolahan air limbah (Vishnivetskaya et al., 2013) dan tanah (Feng et al., 2013; Portillo et al., 2013)).

Kami berpendapat bahwa kapasitas metabolisme yang diamati, fitur genomik dan distribusi ekologis serta proporsi tinggi gen yang diamati terlibat dalam lintas kerajaan HGT (Tabel 2 dan Tabel Tambahan S3) dapat dijelaskan oleh model konseptual di mana akuisisi gen memainkan peran penting dalam membentuk sejarah evolusi Cand. IA. Secara khusus, kami berpendapat bahwa proses akuisisi ini memediasi transisi diduga dari Cand. IA dari leluhur simbiotik dengan genom yang ramping dan kemampuan metabolisme yang sangat terbatas hingga mikroorganisme yang hidup bebas, yang mampu memproduksi ATP (meskipun dari sejumlah substrat), serta biosintesis beberapa asam amino, nukleotida, dan kofaktor, meskipun tetap auksotrofik ke beberapa blok bangunan seluler lainnya. Memang, sebagian besar perbedaan kunci dalam arsitektur genom antara ' N. equitans ' dan Cand. IA (Gambar 3) dapat ditimbulkan oleh adanya gen tambahan yang berasal dari bakteri dalam perakitan genom. Secara teoritis, penghapusan gen asal bakteri dari Cand. Genom IA akan menghasilkan kumpulan genom dengan fitur dan kapasitas metabolisme yang sangat mirip dengan genom ' N. equitans ' (Gambar Tambahan S3).

Meskipun peran HGT dalam memberikan kemampuan spesifik kepada spesies prokariotik penerima, misalnya, resistensi antibiotik atau resistensi logam berat (Andam et al., 2011; Navarro et al., 2013), telah lama dikenal, dampak HGT pada prokariotik sejarah evolusi dan peran potensinya dalam transisi organisme ke habitat dan gaya hidup baru kurang mendapat perhatian. Akuisisi gen bakteri baru-baru ini diusulkan sebagai pendorong evolusi Halobacteriales dari leluhur metanogenik (Nelson-Sathi et al., 2012). Dalam eukariota, HGT telah terbukti penting dalam pengembangan thermoacidophily dan adaptasi selanjutnya dari alga merah Galdieria sulphuraria ke habitat asam panas (Qiu et al., 2013; Schonknecht et al., 2013), serta adaptasi dari jamur usus (Neocallimastigomycota) ke habitat yang kaya anaerob, eutrofik dan kaya biomassa dalam usus herbivora (Youssef et al., 2013). Penelitian tambahan untuk memberikan pemahaman yang lebih rinci tentang dampak proses tersebut pada evolusi mikroba (terutama prokariotik) tentu diperlukan.

Informasi tambahan

File PDF

  1. 1.

    Informasi tambahan

    Informasi Tambahan menyertai makalah ini di situs web The ISME Journal (//www.nature.com/ismej)