好熱性コマンモックス・ニトロスピラの温泉分布と生存機構

ISME Journal volume 17、pages 993–1003 (2023)この記事を引用する

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メトリクスの詳細

中温条件下で海洋以外の自然および人工生態系において完全なアンモニア酸化（コマモックス）が可能なニトロスピラ種の最近の発見は、微生物の硝化に対する私たちの理解を変えました。しかし、コマンモックス細菌の発生や、中程度の熱環境および/または高熱環境での生存能力についてはほとんど知られていません。今回我々は、温度範囲36～80℃の5つの陸地温泉におけるコマモックス・ニトロスピラの広範囲な分布を報告し、メタゲノムで組み立てられた11の新しいコマンモックス株のゲノムを提供する。興味深いことに、好熱性コマンモックスニトロスピラ系統における異化的硝酸塩還元アンモニウム (DNRA) の同定は、DNRA 経路を欠く記載された中温性コマンモックス系統とは対照的に、それらがアンモニアの吸収源および供給源の両方として多用途の生態学的機能を持っていることを示唆しています。さらに、窒素代謝、熱適応、酸化ストレスに関連する重要な遺伝子の in situ 発現により、研究対象の温泉で生存する能力と、これらの環境での硝化への寄与が確認されました。さらに、中温性コマンモックス株と比較して、より小さいゲノムサイズとより高い GC 含量、使用プロファイルにおける極性が低くより荷電したアミノ酸、および多数の熱ショックタンパク質の発現により、おそらく熱ストレスに対する耐性が与えられると考えられます。温熱生息地におけるコマモックスニトロスピラの発生、代謝活動、適応に関するこれらの新たな洞察は、コマモックスニトロスピラの地球規模の分布に関する理解をさらに広げ、これらのユニークな微生物がどのように耐熱性戦略を進化させてきたかについて重要な意味を持ちます。

過去 1 世紀にわたって、化学合成独立栄養性硝化は微生物の共同体によって実行される 2 段階のプロセスであると考えられてきました。しかし、このパラダイムは、アンモニアを硝酸塩に酸化できる単一の生物の画期的な発見によって根本的に変わりました [1、2]。これらの化学合成独立栄養性の完全アンモニア酸化 (comammox) 細菌は、以前は亜硝酸酸化のみを行うと考えられていた深分岐属ニトロスピラの亜系統 II に属します [3]。 comammox Nitrospira を完全に特徴づける試みがなされてきましたが、現在は 1 つの分離株と限られた数の濃縮培養物しか得られていません [4、5、6、7]。これらのコマンモックスニトロスピラ培養物のうち 2 つからの速度論的特徴付けは、それらがアンモニアに対して高い親和性を持ち、貧栄養環境に生息することを好むことを示唆しています [4、5]。したがって、栄養分の流れが限られている生態系ではコマモックスニトロスピラの存在が有利であり、標準的なアンモニア酸化剤 [たとえばアンモニア酸化細菌 (AOB)] よりも優勢になる可能性さえあります。しかし、現地調査では、アンモニアの入手可能性以外の要因もアンモニア酸化剤のニッチな差別化に役割を果たすことが示唆されています[8、9]。

コマモックスニトロスピラの生態学的重要性は部分的にしか解読されていませんが、海洋以外の自然および人工生態系に広く分布していることがわかっています。それらが検出された環境には、土壌、自然の淡水環境、廃水処理施設、飲料水の生産および配水システムが含まれます [10、11、12、13、14、15、16、17、18]。最初でこれまでのところ唯一分離されたコマモックス株ニトロスピライノピナータを除き、最初は熱水パイプ (56 °C) からサンプリングされ、46 ～ 50 °C の中程度の熱条件下で培養されました [1、4]、他のすべての研究は、中温条件に関連しています。これは、熱環境および超熱環境における窒素循環においてコマンモックスニトロスピラが果たす役割について疑問を生じさせます。

海底熱水噴出孔や地上の温泉などの地熱生息地は、おそらく細胞生命の起源以来、さまざまな化学独立栄養微生物を支えています [19,20,21]。温泉微生物群集の研究は 19 世紀にまで遡ることができます [22]。その一方で、その多様性と代謝能力についての理解は、配列決定技術の進歩により、過去 20 年間で大幅に改善されました。温泉に含まれる特に興味深い化合物の 1 つはアンモニウムで、これは地熱生息地で観察される主要な窒素化合物です [23]。その結果、好熱性好気性アンモニア酸化古細菌（AOA）は熱生態系で広く発見されている[24、25、26、27]。さらに、ニトロスピラ属またはクロロフレキシ門に属する亜硝酸酸化細菌 (NOB) が地熱温泉で確認されています [28,29,30]。 comammox 種 N. inopinata を含む Nitrospira 属のメンバーが熱誘発ストレスに耐える可能性があることは、comammox ニトロスピラも高温生態系で増殖する可能性があることを示していますが、天然の地熱泉についてはこれまでそのような報告はありません。このことは、好熱性のコマンモックスニトロスピラがどれほど広く分布しているのか、これらの種が熱ストレスから身を守るためにどのような戦略を採用しているのか、そして熱環境と非熱環境でコマモックスニトロスピラの間にゲノム上の違いがあるのかという疑問につながります。

2500 bp were included for genome binning based on tetranucleotide frequency and sequencing depth using MetaBAT v2.12.1 [34]. To calculate sequencing depth, filtered reads were mapped to assembled contigs using BBMap v38.85 using a minimal identity setting of 0.97. The “jgi_summarize_bam_contig_depths” command in MetaBAT was performed to generate the sequencing depth table. Genomic bins were visualized using emergent self-organizing maps (ESOM) [35]. Completeness, contamination, and strain heterogeneity of each metagenome-assembled genome (MAG) were estimated using CheckM v1.0.5 [36]. To reduce contamination and heterogeneity, all MAGs were further manually examined to remove contigs with abnormal coverage or discordant positions within the ESOM. Finally, clean reads of each MAG were recruited using BBMap and reassembled using SPAdes v3.9.0 with parameters: −k 21,33,55,77,99,127 –careful./p> 88% and contamination values < 3% (Table 1). For the DGJ01_4_Bin137 and DGJ02_3_Bin65 comammox Nitrospira, these MAGs were highly similar to each other (99.8% AAI), but stemmed from hot springs with disparate environments in terms of pH and temperature parameters (Supplementary Table S1). The gene expression patterns for DGJ02_3_Bin65 in three samples with pH of 6.8 to 8.6 and temperature of 27 to 70 °C (see below) indicated that these two strains were active in neutral to slightly alkaline environments at a broad temperature range. Whether they can also survive in acidic conditions remains unclear and could only be verified by cultivation-based experiments./p>