Кристина Байер

Център за изследвания на океана GEOMAR-Helmholtz, RD3-Морска екология, RU-Marine Microbiology, Кил, Германия

Мартин Т. Ян

Център за изследвания на океана GEOMAR-Helmholtz, RD3-Морска екология, RU-Marine Microbiology, Кил, Германия

b Университет във Вюрцбург, Основен център за изображения в Института по биология на Теодор Бовери, Вюрцбург, Германия

Бийт М. Слаби

Център за изследвания на океана GEOMAR-Helmholtz, RD3-Морска екология, RU-Marine Microbiology, Кил, Германия

Лукас Мойтиньо-Силва

c Център за морски биоиновации, Университет на Нов Южен Уелс, Сидни, Нов Южен Уелс, Австралия

Уте Хенчел

Център за изследвания на океана GEOMAR-Helmholtz, RD3-Морска екология, RU-Marine Microbiology, Кил, Германия

d Christian-Albrechts University of Kiel, Kiel, Германия

Свързани данни

Двойно тестване на сонда за визуализация FISH-CLEM. Визуализация на FISH-CLEM с използване на свързани с A. aerophoba микробни сепарации SAR202-специфична сонда в синьо и Caldilineae в зелено (A), SAR202 (синьо) и Anaerolineae (червено) (B) и Anaerolineae (червено) и Caldilineae (зелено) ( ° С). Тестовите хибридизации са направени при 10%, 20% и 30% FA концентрация без наблюдавана колокализация на сондите. cy, цианобактериалната автофлуоресценция се припокрива със синия сигнал на сондата SAR202. Изтеглете FIG S1, TIF файл, 0,10 MB.

16S рРНК генетично базирано филогенетично дърво на всички 13 единични амплифицирани генома (SAG) на свързания с гъба хлорофлекси и един метагеномен кош (S156), показан в червено. Филогенетичната принадлежност е реконструирана по метода за присъединяване на съседи от 182 последователности и максимум 1787 позиции (с пропуски) (1500 позиции без пропуски) и модела GTR + G + I в MEGA7.0. Червените клъстери представляват специфичен за гъбата клъстер Chloroflexi, докато светлосивите клъстери са изградени от несимбиотични референтни последователности на Chloroflexi. Сините клъстери са изградени от проби, получени от морска вода. Сивите клъстери са изградени от некултивирани клонирани последователности (светло сиво) или култивирани представители (тъмно сиво). Изтеглете FIG S2, TIF файл, 0.9 MB.

Използвани справки за протеиново дърво на базата на рибозомни гени. Изтеглете таблица S1, файл DOCX, 0,02 MB.

(А) Средно относително количество на филум хлорофлекси във всички изследвани HMA гъби. (B) Средно относително изобилие от класове хлорофлекси във всички изследвани HMA гъби. (C) Ефект на географския регион на гъбата и таксономичния ред върху общностите на хлорофлексите. Изтеглете таблица S2, файл DOCX, 0,02 MB.

Реконструкция на път, базиран на IMG. Показват се стъпки за печелене/консумация на енергия и връзки към други пътища. Напълнените пайове означават, че съответните ензими са идентифицирани/анотирани. Празните пайове означават, че ензимите не са идентифицирани. Числата са KEGG идентификатори за ензими. Сивите стрелки и цифри отразяват, че ензимът не е идентифициран. Цветовете представляват шестте генома. (А) Гликолиза, последвана от окисляване на пируват до образуване на ацетил-КоА и ацетат. (B) Цикъл на трикарбонова киселина (TCA). (C) Реконструкция на пътя на превръщането на захар в пентозофосфатния път (PPP). (D) Реконструкция на пътя на автотрофните пътища за фиксиране на въглерод, включително пътя на Wood-Ljungdahl (редукционен ацетил-CoA път) и пътя на Arnon-Buchanan (цикъл на редуктивна цитратна киселина). (E) Азотен метаболизъм. (F) Сярен метаболизъм. fd, фередоксин; Q, хинон; HQ, хидрохинон. Изтеглете FIG S3, TIF файл, 0,6 MB.

Поддържащ текст за метаболитните характеристики. Подробни описания на централния метаболизъм, транспорта и метаболизма на захарта, вноса и биосинтеза на кофактори и витамини, метаболизма на амино захар и нуклеотидна захар, метаболизма на нуклеотидите, биосинтеза и метаболизма на аминокиселини (включително разграждането), метаболизма на мастните киселини, биосинтеза на пептидогликан и разграждането на ароматните съединения. Изтеглете Text S1, PDF файл, 2,0 MB.

Общ брой арилсулфатази (и други сулфатази) (A), въглехидратно активни ензими (CAZymes) (B) и еукариот-подобни протеини (ELP) (C) в шестте изследвани геноми на Chloroflexi, свързани с гъба, принадлежащи към класовете Anaerolineae (SAG1B и A154), Caldilineae (C141 и C174) и група SAR202 (S152 и S156). Цветовете представляват шестте генома. АА, спомагателни дейности; CBM, модули, свързващи въглехидратите; CE, въглехидратни естерази; GH, гликозидни хидролази; GT, гликозилтрансферази; PL, полизахаридни лиази. Изтеглете FIG S4, TIF файл, 0,1 MB.

Абсолютно изобилие от въглехидратно активни ензими (CAZymes), открито в шестте анализирани генома. Изтеглете таблица S3, файл DOCX, 0,04 MB.

Абсолютно изобилие от ензими, които могат да участват в непокорното разграждане на DOM. Изтеглете таблица S4, файл DOCX, 0,02 MB.

Абсолютен брой и относителни стойности на еукариот-подобни протеини (ELPs) (A) и на вторични метаболитни генни клъстери (B), идентифицирани в анализираните геноми. Изтеглете таблица S5, файл DOCX, 0,01 MB.

Наборите данни за SAG и метагеномните контейнери са достъпни в архива за четене на последователности на NCBI под номера за присъединяване BioProject или идентификатори (ID) PRJNA506133 и PRJNA366444 до PRJNA366449, съответно. Пълни сглобени и анотирани данни са на разположение от IMG (https://img.jgi.doe.gov/) под Идентификационни номера на златното проучване Gs0114494 и Gs0099546 (за повече подробности вижте Таблица 1).

РЕЗЮМЕ

ВАЖНОСТ Хлорофлексите представляват широко разпространен, но загадъчен бактериален тип с малко култивирани членове. Използвахме метагеномни и едноклетъчни геномни подходи, за да характеризираме функционалния генен репертоар на симбионтите на Chloroflexi в морските гъби. Резултатите от това проучване предполагат специфична за кладата метаболитна специализация и че симбионтите на Chloroflexi имат геномния потенциал за разграждане на разтворената органична материя (DOM) от морската вода. Като се има предвид изобилието и доминирането на гъбите в много бентосни среди, ние прогнозираме, че ролята на гъбните симбионти в биогеохимичните цикли е по-голяма, отколкото се смяташе досега.

ВЪВЕДЕНИЕ

Гъбите (Porifera) представляват една от най-старите, все още съществуващи животински фили. Изкопаемите доказателства показват тяхното съществуване в докамбрийския период много преди облъчването на всички други животински видове (1, 2). В днешно време гъбите са разпространени в световен мащаб във всички водни местообитания от топлите тропически рифове до студеното дълбоко море и дори присъстват в сладководни езера и потоци (3). Гъбите все повече се признават като важни компоненти на морската среда поради огромния им капацитет за захранване с филтри и последващото въздействие върху крайбрежните хранителни мрежи и биогеохимичните (напр. Въглерод, азот) цикли (4, 5). Много морски гъби съдържат гъсти и разнообразни микробни консорциуми в извънклетъчната си мезохилова матрица. Към днешна дата от гъби са регистрирани 41 бактериални тила (сред тях много кандидат-фили), като неотдавнашни проучвания за секвениране на ампликони предполагат до 14 000 оперативни таксономични единици (OTU) на индивид гъба (6, 7). Гъбите също представляват един от най-разпространените природни източници на вторични метаболити, които представляват търговски интерес за разработването на фармацевтични продукти и нови лекарства (8) и често се произвеждат от микробните симбионти (9, 10).

В настоящото проучване ние фокусирахме нашите метагеномни анализи върху Chloroflexi като обилни и характерни, но все още недостатъчно изучени членове на HMA гъба микробиота. Типът Chloroflexi включва таксономично и физиологично многообразни линии, които населяват широк спектър от местообитания (24, –27), включително дълбоководното море (22), замърсените с уран водоносни хоризонти (28) и човешката устна кухина и червата (29, 30 ). Метаболизмът на хлорофлексите е много разнообразен, вариращ от аноксигенни фотосинтезатори, задължителни аеробни/анаеробни хетеротрофи, термофили, халофили, кладове, способни на редуктивно халогениране, и дори хищници с плъзгаща се подвижност. Тъй като са култивирани само няколко линии на Chloroflexi (87) и тъй като черновите геноми са ограничени по брой (22, 23, 32), специфичните функции на Chloroflexi в морската екосистема, но особено в контекста на симбионта остават до голяма степен неизвестни.

Хлорофлексите са членове на HMA гъба микробиота, като представители на класове/кладове SAR202, Anaerolineae и Caldilineae са най-многобройни (31). Визуализацията на хлорофлекси чрез флуоресценция in situ хибридизация (FISH) разкри ярки и изобилни сигнали (32, 33). Тъй като Chloroflexi вероятно играе важна роля в HMA гъбата холобионт, ние имахме следните цели: (i) да оценим относителното им изобилие и разпределение в различни видове HMA гъби, като използваме най-големия набор от данни в момента (Earth Microbiome Project [EMP] гъба микробиом [31]), (ii) да предоставят тяхната филогенетична принадлежност, (iii) да характеризират функционалния генен репертоар с особен акцент върху разграждането на въглерода и симбиотичния начин на живот и (iv) да визуализират хлорофлексите в мезохилните тъкани при ултраструктурна резолюция от FISH -корелативна методология на светлинна и електронна микроскопия (CLEM). Приложихме широк спектър от съвременни методи, от глобални проучвания с гъби до едноклетъчна геномика и микроскопия, за да придобием изчерпателна представа за начина на живот на симбионтите на Chloroflexi.

РЕЗУЛТАТИ И ДИСКУСИЯ

Изобилие на хлорофлекси в HMA гъби.

като

Топлинна карта, показваща относителното изобилие от класове/платове хлорофлекси в 63 HMA гъби, извлечени от данните на Проекта за микробиоми на Земята (EMP) (31). В горния панел е показано средното относително изобилие от класове/облицовки на хлорофлекси във всички гъби (означава ± стандартни отклонения [ленти за грешки]). В десния панел се показва средното относително изобилие на типа Chloroflexi в прогнозирани (светлозелени имена и средно зелени ленти) и класифицирани (тъмнозелени имена и ленти) HMA гъби (означава ± стандартни отклонения), определени от машинно обучение (12). Резултатите от клъстерния анализ, базиран на различията между Bray-Curtis и средното относително изобилие на OTU в рамките на типа, са представени отляво. Гъбите са маркирани със звезди, когато всички проби от видове са дошли от едно от трите основни места за проби.

Филогения на метагеномни контейнери на хлорофлекси и единични амплифицирани геноми.

МАСА 1

Преглед на геномните характеристики на единични амплифицирани геноми (SAGs) и метагеномни контейнери на свързани с A. aerophoba Chloroflexi и най-близките относителни референтни геноми, анализирани в това проучване