Биология связи, том 6, Номер статьи: 230 (2023) Цитировать эту статью
4093 Доступа
28 Альтметрика
Подробности о метриках
Термофильный, хемолитоавтотрофный и аэробный микробный консорциум (названный карбонитрофлексом), растущий в бедной питательными веществами среде и атмосфере, содержащей N2, O2, CO2 и CO, исследуется в качестве модели, расширяющей наши представления об экстремальных биологических системах. Здесь мы показываем, что в консорциуме доминируют Carbonactinospora thermoautotropica (штамм StC), за которым следуют Sphaerobacter thermophilus, Chelatococcus spp. и Geobacillus spp. Метагеномный анализ консорциума показывает взаимосвязь между бактериями: C. thermoautotropica StC демонстрирует карбоксидотрофию и способность накапливать углекислый газ. C. thermoautotropica StC, Chelatococcus spp. и S. thermophilus содержат гены, кодирующие CO-дегидрогеназу и формиатоксидазу. В исходных условиях роста не удалось получить чистых культур, что указывает на то, что для выживания и роста группы в этой крайне олиготрофной системе может потребоваться жестко регулируемый интерактивный метаболизм. Гипотеза кормильца предлагается для объяснения модели метаболического потока и подчеркивания жизненно важной роли C. thermoautotropica StC (единственного ключевого вида и основного производителя углерода) в выживании всех членов консорциума. Наши данные могут способствовать исследованию сложных взаимодействий в экстремальных условиях, иллюстрируя взаимосвязи и зависимости внутри микробных сообществ.
Все биогеохимические циклы включают микробный биосинтез, и микробы могут в значительной степени способствовать секвестрации углекислого газа и фиксации азота1,2,3, что является важными целями общества4. Однако механизмы, связанные с образованием биомассы, включающей их сложные микробиомы, сложные взаимодействия и функции, полностью не выяснены; и понимание этих механизмов остается серьезной проблемой5,6,7.
Олиготрофные микробные консорциумы, основанные на экосистемах, могут служить моделями для исследования сложных биотехнологических процессов и, таким образом, расширять наше понимание биологических систем. Микроорганизмы взаимодействуют друг с другом, чтобы справиться с различными условиями, такими как ограниченная доступность питательных веществ и/или стресс8; однако экстремальные условия окружающей среды могут привести к сильно взаимозависимым взаимодействиям в микробных консорциумах. Ключевые биогеохимические процессы, лежащие в основе жизни в этих системах, также можно разделить. Лучшее понимание этой взаимозависимости и способов взаимодействия, определяющих взаимодействие микробных сообществ9, может привести к открытию новых путей или генов10. Это понимание может в конечном итоге привести к новым биотехнологическим применениям11,12 за счет оптимизации и разработки микробных консорциумов для производства биомолекул, биотоплива и секвестрации углерода3,13,14, а также за счет использования принципов микробной экологии15. Эти достижения могут способствовать смягчению таких важных проблем, как изменение климата и рост населения11,16,17.
Экстремофилы, такие как карбоксидотрофы, могут быстро эволюционировать, приспосабливаясь к динамическим изменениям, которые могут произойти в экстремальных условиях, что делает их хорошими источниками новых биопродуктов18. Исследования олиготрофных консорциумов, развивающихся в экстремальных условиях, идеально подходят для выяснения органической химии (ранней) жизни на Земле или других планетах/спутниках Солнечной системы19,20.
В этом исследовании консорциум термофильных и олиготрофных бактерий был успешно выделен из почвы; мы исследовали микробный состав бактериального роста, чтобы определить, сформировали ли экстремальные условия отбора обогащенный бактериальный консорциум, и выяснить сотрудничество между членами консорциума, чтобы приспособиться к суровым условиям. Консорциум, получивший название карбонитрофлекс (CNF), был обогащен образцом почвы с десятилетней историей неоднократного сжигания травы (длительное воздействие высоких температур и CO2 от пожаров).
3 years. The cell agglomerates (floating white pellicles) were consistently observed after 3–21 days in all replicates for >3 years, with electron microscopy. Filamentous bacteria containing intracellular spores were observed in association with a smaller number of single-celled cocci and bacilli. These microbes appeared to be closely attached to each other (Fig. 1d), with bacilliform bacteria being attached beneath the filamentous cells. Several spore-like structures directly bound to the bacterial cell filaments were also observed (Fig. 1e). Images obtained using SEM revealed the presence of a cell lining, which was possibly a bridge of unknown material linking the cells (Fig. 1f). Remarkably, highly symmetrical bacterial microcompartments (BMCs)/carboxysome-like structures in the cellular cytoplasm were also noted (Fig. 2). Interestingly, regularly shaped clusters were noted in the cellular cytoplasm. These diamond-shaped clusters appeared in several images and in different sizes (probably due to the block cutting at different heights). Genomic data indicated (see below) that these might be carboxysome-like structures, which are bacterial microcompartments that concentrate carbon-fixing enzymes and play an essential role in the carbon fixation process21./p>99.5% of the 1,032,456 metagenomic reads obtained from CNF were taxonomically assigned. The results indicated that the consortium comprised 4 bacterial species (Fig. 3). There was no evidence of the presence of other prokaryotes or fungi. The most abundant reads (approximately 80%) observed in the consortium metagenome belonged to an Actinobacterium that was identified as closely related to Carbonactinospora thermoautotrophica22, followed by a Chloroflexum related to Sphaerobacter spp. (9% of reads), a Proteobacterium (8% of reads) related to Chelatococcus spp., and a Firmicute (2% of reads) related to Geobacillus spp. (Fig. 3a). The phylogeny of the Barrnap-extracted gene rrs is shown in Fig. 3b. Notably, two different contigs aligned with C. thermoautotrophica sequences, indicating that this strain (C. thermoautotrophica St_consortium [StC]) harbored two taxonomically independent rrs genes (StCopy1 and StCopy2). A high degree of difference (>6%) was observed between the rrs genes of C. thermoautotrophica StC./p> 95% completeness. A cutoff of 1% was used, thereby indicating that any read belonging to any other species was <1% of the total reads. This finding was supported by plating, where no growth was observed. Using BRIG and DNAPlotter software and BLASTN program, the contigs belonging to each consortium member were represented in a circular form and mapped to the reference WGS (UBT1 and H1 for C. thermoautotrophica, DSM207045 for Sphaerobacter spp., DSM18167 for Chelatococcus spp., and DSM13240 for Geobacillus spp.) (Fig. 4a–c). Metagenomic reads were also mapped (Fig. 3d) for the previously isolated and sequenced Geobacillus sp. LEMMY01 genome23 (Fig. 4d)./p>3 years) indicated that the organisms are either complementing each other’s metabolism or are benefiting from the secondary metabolites from different players./p>6%) between rrs copies in C. thermoautotrophica StC has also been reported in other Actinobacteria, and supports our taxonomic identification because this is a common characteristic of C. thermoautotrophica22,24./p>15 years (Supplementary Fig. 1A, B). The soil samples were immediately transported to the Molecular Microbial Ecology Laboratory (LEMM), Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, Brazil. A control soil sample was collected from a nearby site with no history of burning. The physical and chemical properties of all soil samples were determined in triplicate, using standard laboratory protocols41,42./p> 1 month of incubation; moreover, we were unable to revive glycerol stocks after freezing at temperatures of −80 °C and −20 °C. The cell cultures in the N-FIX medium were maintained in an oven at 55 °C and reinoculated with fresh medium every 2 weeks. Of the original soil samples, microbial growth was observed in only three flasks containing the mineral soil medium for autotrophs43 and in only one flask containing the N-FIX medium. The cultures showing growth were then individually replicated in several flasks, and at least three replicates were kept alive for the duration of the experiment. The control soil samples showed no microbial growth during the same incubation period. For subsequent analyses, the replicates were combined to improve biomass recovery./p>1200 bp derived from culturable microorganisms). The five most similar matches were selected for each contig and gene and aligned using the MUltiple Sequence Comparison by Log-Expectation software (version 3.8.31). Phylogenic reconstruction was performed with MEGA-756, using the maximum likelihood method and the Tamura–Nei distance model57 with 1000 bootstrap replications./p>
Русский
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
Дом