Der Stickstoffkreislauf gehört zu den wichtigsten biogeochemischen Kreisläufen der Erde, wobei Mikroorganismen eine unverzichtbare Rolle in seinem komplexen Geflecht spielen. Die Kraft von Metagenomische TechnologienWir erhalten einen umfassenden Überblick über sowohl die schiere Menge als auch die vielfältige Palette funktioneller mikrobieller Taxa, die im Stickstoffkreislauf miteinander verflochten sind. Folglich gewinnen wir tiefgreifende Einblicke in die zugrunde liegenden Muster und komplexen Mechanismen, die diesen entscheidenden Kreislauf steuern.
Übersicht über die Prozesse des Stickstoffkreislaufs anhand ausgewählter Marker-Gene. (de Jong et al., 2018)
Stickstoffkreislauf
Stickstoff, ein lebenswichtiger Bestandteil, hat die Besonderheit, ein entscheidender limitierender Faktor für das biologische Wachstum auf unserem Planeten zu sein. Während atmosphärischer Stickstoff (N2) reichlich vorhanden ist, sind die meisten Organismen auf bioverfügbare Stickstoffformen wie Ammonium und Nitrat angewiesen, um ihr Wachstum zu fördern. Die Verfügbarkeit dieser Stickstoffformen hängt von einer Reihe komplexer Stickstoffumwandlungsreaktionen ab, die zusammen als Stickstoffkreislauf bezeichnet werden. Dieser Kreislauf orchestriert die Bewegung, Veränderung und ständige Wiederverwertung von elementarem Stickstoff zwischen der Erdatmosphäre, der Biosphäre, dem Boden und der Hydrosphäre.
Der Stickstoffkreislauf kann in sechs verschiedene Stickstoffumwandlungsprozesse unterteilt werden, von denen jeder einen einzigartigen Zweck erfüllt:
- Assimilation: Organismen wandeln anorganische Stickstoffformen (z. B. Ammoniumsalze und Nitrate) in organischen Stickstoff um, eine wichtige Ressource für Wachstum und Synthese in lebenden Organismen.
- Ammonifikation: Der Abbau organischer Stickstoffverbindungen zu Ammoniumsalzen kennzeichnet den Übergang von organischem zu anorganischem Stickstoff.
- Nitrifikation: Ein Umwandlungsprozess, bei dem Ammoniumsalze in Nitrate umgewandelt werden, der zwei Unterprozesse umfasst: Ammoniakoxidation und Nitritoxidation.
- Denitrifikation: Nitrat wird zu elementarem Stickstoff (N2) reduziert, wodurch Stickstoff in die Atmosphäre freigesetzt wird.
- Anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox): Ein spezialisierter Stickstoffumwandlungsweg, der Ammonium und Nitrat direkt in Stickstoffgas umwandelt und dabei Zwischenprodukte umgeht.
- Stickstofffixierung: Atmosphärischer Stickstoff (N2) wird in biologisch zugängliche Stickstoffformen, wie Ammoniumsalze, umgewandelt.
Die Flüsse zwischen diesen Stickstoffumwandlungsprozessen weisen erhebliche Variationen auf, wobei die Umwandlung zwischen Ammoniak und organischem Stickstoff zu den höchsten Flussprozessen gehört, während die Nitrifikation einen bedeutenden Flussbeitrag leistet.
Metagenomik in der Forschung zum Stickstoffkreislauf
Metagenomische Technologien sind zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden, um die Geheimnisse von Mikroorganismen und ihren zugehörigen Genen im Stickstoffkreislauf zu entschlüsseln. Die folgenden Punkte heben wichtige Aspekte und Datenbanken hervor, die für metagenomische Studien zum Stickstoffkreislauf von Bedeutung sind:
- Identifizierung von mit dem Stickstoffkreislauf assoziierten Genen: Metagenomische Datenanalyse erleichtert die Entdeckung von mit dem Stickstoffkreislauf assoziierten Genen, die in der natürlichen Umgebung vorkommen. Diese Gene kodieren für Enzyme und Proteine, die für die Stickstoffumwandlung entscheidend sind.
- Quantifizierung der Genabundanz: Metagenomische Daten ermächtigt uns, die relative Häufigkeit von mit dem Stickstoffkreislauf verbundenen Genen unter verschiedenen mikrobiellen Gruppen zu messen und damit ihre Bedeutung in Ökosystemen zu beleuchten.
- Verteilung von assoziierten Genen: Metagenomische Daten bieten Einblicke in die Verteilung von mit dem Stickstoffkreislauf verbundenen Genen über verschiedene mikrobielle Arten und beleuchten die Rolle der mikrobiellen Vielfalt bei der Gestaltung des komplexen Gefüges des Stickstoffkreislaufs.
Stickstoffkreislauf-Datenbanken
Datenbanken bieten gemeinsam eine reichhaltige Quelle genetischer Informationen im Zusammenhang mit dem Stickstoffkreislauf, die es Forschern ermöglicht, in die Feinheiten des Stickstoffmetabolismus und seiner zugehörigen Gene einzutauchen. Die spezialisierten Datenbanken (NcycFunGen und NCycDB) bieten umfassende und benutzerfreundliche Ressourcen, während KEGG zusätzlichen Kontext bietet, jedoch möglicherweise eine komplexere Navigation erfordert, insbesondere bei unvollständigen Gen-Daten. Forscher können die am besten geeigneten Datenbank(en) basierend auf ihren spezifischen Forschungsbedürfnissen und der Vollständigkeit ihrer Gen-Sequenzen auswählen.
NcycFunGen-Datenbank
Diese unschätzbare Datenbank beherbergt eine umfangreiche Sammlung genetischer Daten, die 60.735 Aminosäuresequenzen, Nukleinsäuresequenzen und HMM-Profile von 22 wichtigen Genen umfasst, die mit dem Stickstoffkreislauf in Verbindung stehen.
Forscher können diese Ressourcen für eine Vielzahl von Zwecken nutzen. Aminosäuresequenzen können in mmseqs-Sequenzbibliotheken organisiert werden, was eine systematische Indizierung erleichtert. Homologiematching kann dann für eine detaillierte Annotation angewendet werden. Darüber hinaus können HMM-Spektren für spektrale Sequenzsuchen und umfassende Annotation von Open Reading Frame (ORF)-Sequenzen verwendet werden.
Die Datenbank bietet auch eine Zuordnung von Aminosäuresequenzen zu ihren jeweiligen Gen-Symbolen, was die Erforschung der Gene des Stickstoffkreislaufs erleichtert.
NCycDB-Datenbank
Die NCycDB-Datenbank ist ein Schatz, der 273.942 Aminosäuresequenzen umfasst, die durch das Entfernen doppelter Sequenzidentifikatoren auf 273.501 verfeinert werden. Diese Sequenzen entsprechen insgesamt 68 einzigartigen Genen, die mit dem Stickstoffkreislauf in Verbindung stehen.
Forscher können auf diese Ressource für ein breites Spektrum an Anwendungen zugreifen. Die Aminosäuresequenzdatenbank bietet eine umfassende Grundlage für genomische Untersuchungen. Darüber hinaus bietet die Datenbank eine wertvolle Zuordnung, die Aminosäuresequenzen mit ihren entsprechenden Gen-Symbolen verknüpft.
KEGG-Datenbank
KEGG, eine renommierte bioinformatische Ressource, bietet eine Vielzahl von Genen, die mit dem Stickstoffkreislauf in Verbindung stehen und mit KEGG KOs (KEGG Orthologie) verknüpft sind.
Die umfangreichen Daten von KEGG können verwendet werden, um auf KEGG KO HMM-Spektren zuzugreifen, die Einblicke in die Funktionen von Genen bieten. Darüber hinaus ermöglicht es den Zugriff auf Aminosäure- und Nukleinsäuresequenzen, die mit KEGG-Genen assoziiert sind.
Während KEGG eine wertvolle Ressource ist, ist es wichtig zu beachten, dass es möglicherweise weniger Annotationsergebnisse im Vergleich zu spezialisierten Datenbanken wie NcycFunGen und NCycDB liefert. Insbesondere könnte die KEGG kofamscan-Methode weniger benutzerfreundlich sein, insbesondere für unvollständige Gen-Sequenzen.
Fall: Untersuchung des Stickstoffkreislaufs in kalten Sickerumgebungen durch metagenomische Sequenzierung
Das Rätsel der Diazotrophen in kalten Quellen-Sedimenten
Jüngste Forschungen haben anaerobe methanotrophe Archaeen (ANME-2) und ihre sulfatreduzierenden bakteriellen Partner (SEEP-SRB1-Klade) als diazotrophische Pioniere in den Sedimenten kalter Tiefseequellen identifiziert. Diese bemerkenswerten Organismen stellen mit ihren stickstofffixierenden Fähigkeiten die harten Bedingungen der kalten Quellen in Frage. Doch eine drängende Frage blieb: Sind ANME-2 und SEEP-SRB1 die einzigen stickstofffixierenden Champions in diesem eisigen Abgrund?
Die Suche nach umfassenden Einsichten
Um die verborgenen Dimensionen des Stickstoffkreislaufs in kalten Quellen zu enthüllen, begab sich dieses unerschrockene Team auf eine Mission. Ausgerüstet mit modernster metagenomische Sequenzierung Techniken, sie sammelten und analysierten Daten aus 61 Metagenomen, 1428 metagenomisch assemblierten Genomen und sechs Metatranskriptome aus 11 kalten Quellen weltweit. Ihre Mission: das komplexe Netzwerk des Stickstoffkreislaufs in diesen geheimnisvollen Tiefen zu entschlüsseln.
Maximale-Likelihood-phylogenetischer Baum der nicht-redundanten Nitrogenase-Untereinheit NifH, identifiziert aus Metagenom-Assemblierungen von kalten Quellen. (Dong et al., 2022)
Enthüllung der Vielfalt der Diazotrophen Linien
Die metagenomische Reise enthüllte eine bemerkenswerte Erkenntnis – eine vielfältige Reihe von Nitrogenase-Genen, die sich über eine breite Diversität von Diazotrophen-Linien erstrecken, die in Sedimenten kalter Quellen verborgen sind. Die Stickstoff-fixierende Fähigkeit schien nicht ausschließlich auf ANME-2 und SEEP-SRB1 beschränkt zu sein. Stattdessen trat ein reiches Geflecht mikrobieller Gruppen als potenzielle Stickstofffixierer hervor und schrieb die Erzählung des Stickstoffkreislaufs in diesen extremen Umgebungen neu.
Die Mechanismen entschlüsseln
Die Suche endete nicht bei der Entdeckung von Genen; sie tauchten tiefer in die metabolische Maschinerie ein, die die Stickstofffixierung antreibt. Vorhersagen über vielfältige katabolische Wege deuteten auf die Mittel hin, durch die diese Kaltsee-Mikroorganismen ihre stickstofffixierenden Fähigkeiten antrieben, und stellten die vorherrschende Auffassung in Frage, dass die Diazotrophie in diesen Umgebungen intrinsisch mit der sulfatabhängigen anaeroben Oxidation von Methan verbunden war.
Metabolische Rekonstruktion der Kernwege für stickstofffixierende MAGs. (Dong et al., 2022)
Genetische Mobilität und evolutionäre Kräfte
Interessanterweise wurde ein Hinweis auf genetische Mobilität unter den Stickstofffixierungsgenen innerhalb der diazotrophen Gruppen in kalten Quellen entdeckt. Darüber hinaus schienen die Kräfte der Evolution, in Form von reinigendem Selektionsdruck, diese genetischen Merkmale zu prägen. Dies deutete auf eine dynamische und anpassungsfähige Stickstoff fixierende Gemeinschaft im Ökosystem der kalten Quellen hin.
Den Horizont erweitern
Ihre Ergebnisse erweiterten die Grenzen der Forschung zum Stickstoffkreislauf in kalten Sickerumgebungen. Fünf Kandidaten-Phyla, Altarchaeia, Omnitrophota, FCPU426, Caldatribacteriota und UBA6262, traten als potenzielle Diazotrophen hervor und erweiterten die Liste der stickstofffixierenden Organismen in diesen abgelegenen und rauen Lebensräumen. Diese zuvor übersehenen Stickstofffixierer könnten, so postulierten sie, erhebliche Beiträge zum globalen Stickstoffhaushalt leisten.
Referenzen:
- Dong, Xiyang, et al. "Phylogenetisch und katabolisch vielfältige Diazotrophen leben in Sedimenten von kalten Tiefseequellen." Naturkommunikation 13.1 (2022): 4885.
- de Jong, Anniek, et al. "Abnahme der mikrobiellen Vielfalt entlang eines Verschmutzungsgradienten im Sediment des Citarum-Flusses." BioRxiv (2018): 357111.
Nur für Forschungszwecke, nicht zur klinischen Diagnose, Behandlung oder individuellen Gesundheitsbewertung bestimmt.
Richtlinien zur Einreichung von Proben
