Metagenomische Sequenzierung zur Identifizierung von Phosphorzyklus-Genen

Einführung

Phosphor (P), ein elementarer Grundpfeiler des Lebens, spielt eine unverzichtbare Rolle im Funktionieren aller lebenden Organismen. Dieses lebenswichtige Element ist ein grundlegender Bestandteil von DNA, RNA, ATP (Adenosintriphosphat) und verschiedenen anderen essentiellen Biomolekülen. In Pflanzen wird Phosphor in Form von Phosphaten aufgenommen und dann nahtlos in organische Verbindungen integriert. Bei Tieren spielt es eine entscheidende Rolle in der Struktur von Knochen, Zähnen und einer Vielzahl biologischer Prozesse. Die Verfügbarkeit von Phosphor in terrestrischen Ökosystemen ist jedoch über Jahrtausende hinweg aufgrund seines allmählichen Verlusts durch Abfluss stetig gesunken. Studien zur mikrobiellen Biomasse im Boden haben eindeutig gezeigt, dass verringerte Phosphorkonzentrationen im Boden sowohl das Pflanzenwachstum als auch die Vermehrung essentieller Bodenmikroorganismen behindern. Phosphorumwandlungen können in kurzfristige Prozesse unterteilt werden, die durch chemische, biologische oder mikrobielle Mechanismen angetrieben werden. Dennoch werden in dem großen Gefüge des langfristigen globalen Phosphorkreislaufs die vorherrschenden Transfers von den unermüdlichen Kräften der tektonischen Bewegungen über geologische Epochen bestimmt.

Ein schematisches Diagramm der biogeochemischen Kreisläufe von Phosphor (P) im Boden. (Tian et al., 2021)

Metagenomische Sequenzierungsmethoden

Metagenomische Sequenzierung umfasst die systematische Analyse von DNA, die aus Umweltsch samples wie Boden, Sediment, Wasser oder sogar dem menschlichen Darm extrahiert wurde, ohne dass eine Kultivierung oder Isolierung einzelner Organismen erforderlich ist. Dieser kultivierungsfreie Ansatz erfasst die genetische Vielfalt ganzer mikrobieller Ökosysteme und beleuchtet das kollektive genomische Potenzial dieser Gemeinschaften.

Schlüsselvorteile der metagenomischen Sequenzierung in Studien zum Phosphorkreislauf

• Unvoreingenommene Erkundung: Im Gegensatz zu gezielte Gen-SequenzierungDie Metagenomik bietet einen unvoreingenommenen Blick auf das gesamte genetische Material, das in einer Probe vorhanden ist. Das bedeutet, dass Forscher nicht nur bekannte Gene des Phosphorkreislaufs untersuchen, sondern auch neuartige Gene und Wege entdecken können, die eine entscheidende Rolle im Phosphorstoffwechsel spielen könnten.
• Umweltrelevanz: Metagenomische Sequenzierung ermöglicht es Wissenschaftlern, Gene im Kontext ihrer natürlichen Umgebung zu untersuchen. Dies ist besonders wichtig, um zu verstehen, wie Phosphorzyklus-Gene in komplexen Ökosystemen funktionieren, in denen die Interaktionen zwischen verschiedenen Organismen tiefgreifende Auswirkungen auf die Nährstoffdynamik haben können.
• Hohe Durchsatz: Modern metagenomische Sequenzierung Technologien bieten Hochdurchsatzfähigkeiten, die die Analyse großer Mengen genetischer Daten in relativ kurzer Zeit ermöglichen. Diese Skalierbarkeit ist entscheidend für die umfassende Charakterisierung der genetischen Vielfalt komplexer mikrobielle Gemeinschaften.
• Funktionspotenzialbewertung: Metagenomik nicht nur identifiziert Gene, sondern bietet auch Einblicke in ihr funktionales Potenzial. Durch die Annotation von Genen mit bekannten Funktionen und Stoffwechselwegen können Forscher die Rollen spezifischer Gene in Phosphorzyklusprozessen ableiten.

Ein schematisches Diagramm möglicher Mechanismen der Inorganischen Phosphor (Pi) Löslichkeit in phosphatlösenden Mikroorganismen (PSM). (Tian et al., 2021)

Aufdeckung von Phosphorzyklus-Genen aus der Metagenomik

Die Suche nach der Entschlüsselung der rätselhaften Welt des Phosphorkreislaufs umfasst einen vielschichtigen Ansatz, der die folgenden miteinander verbundenen Aufgaben beinhaltet:

1. Identifizierung von mit dem Phosphorkreislauf verbundenen Genen: Im Mittelpunkt unseres Vorhabens steht die entscheidende Aufgabe, Gene zu identifizieren, die eng mit dem Phosphorkreislauf verknüpft sind. Diese Gene fungieren als molekulare Architekten, die den komplexen Tanz des Phosphors durch Ökosysteme orchestrieren.

2. Quantifizierung der Verwandten Genhäufigkeit: Das Verständnis der quantitativen Aspekte von mit dem Phosphorkreislauf verbundenen Genen ist von größter Bedeutung. Eine genaue Quantifizierung liefert Einblicke in die Dynamik des Phosphorkreislaufs in verschiedenen ökologischen Nischen.

3. Verbreitung von verwandten Genen: Die Untersuchung der Verbreitung dieser entscheidenden Gene über verschiedene Arten hinweg bietet tiefgreifende Einblicke in die evolutionären und ökologischen Dimensionen des Phosphorkreislaufs.

Erforschung von Phosphor-bezogenen Genen in der KEGG-Datenbank

Für eine noch umfassendere Perspektive bietet die KEGG-Datenbank ein umfangreiches Repository von phosphorbezogenen Informationen. Hier können Sie zugreifen auf:

Übereinstimmung von Aminosäuresequenzen, Nukleinsäuresequenzen und HMM-Profilen: Mit einer umfangreichen Sammlung von Daten, die 125 KO (KEGG Orthologie) unmittelbare homologe Cluster, organisiert nach Gen-Symbolen, umfasst, eröffnet die KEGG-Datenbank eine Welt von Möglichkeiten für Forscher, die bereit sind, tiefer in die Genomik des Phosphorkreislaufs einzutauchen.

Fall: Auswirkungen der Landnutzung und der mikrobiellen Taxonomie auf die Gene des Phosphorkreislaufs im Boden:

Hintergrund

Phosphor (P) ist entscheidend für die Bodenfruchtbarkeit und Produktivität. Mikroben spielen eine Schlüsselrolle bei der Anpassung an P-Mangel, indem sie verschiedene Gene im Zusammenhang mit dem P-Kreislauf nutzen. Sie untersuchten 23 solcher Gene in Wald-, Grasland- und Ackerböden durch metagenomische Sequenzierung, die ihre Redundanz innerhalb von Ökosystemen und ihr genomisches Potenzial über mikrobielle Taxa hinweg untersuchen.

Ergebnisse

• Landnutzungseffekt: Acker- und Grünlandböden hatten ein höheres Potenzial zur Mineralisierung von organischem Phosphor und zur Löslichkeit von anorganischem Phosphor im Vergleich zu Wäldern. Gene für alkalische Phosphatasen und die Produktion von Gluconsäure waren in diesen Umgebungen häufiger anzutreffen.
• Phosphonatzyklus: Waldböden zeigten ein größeres Potenzial zur Mineralisierung von Phosphonaten unter Verwendung von C–P-Lyasen, was ihre Rolle im Phosphorkreislauf hervorhebt.
• Taxonomische Unterschiede: Proteobacteria und Euryarchaeota hatten das größte genomische Potenzial, auf P-Mangel zu reagieren, während Pilze eine begrenztere Rolle spielten.
• Schlüsselfunktionen: Die Produktion von Phosphatasen, die P-Solubilisierung und die Regulierung der P-Entzugsreaktion zeigten eine hohe Intermetagenom-Redundanz, was ihre Bedeutung im P-Kreislauf unterstreicht.

Intrametagenomische Redundanz als die Anzahl der Kopien von P-Kreislauf-Genen. (Siles et al., 2022)

Referenzen:

1. Siles, José A., et al. "Verteilung von Phosphorzyklus-Genen über Landnutzungen und mikrobiellen taxonomischen Gruppen basierend auf Metagenom- und Genom-Mining." Bodenbiologie und Biochemie 174 (2022): 108826.
2. Tian, Jiang, et al. "Rollen von phosphatlösenden Mikroorganismen bei der Bewältigung von Phosphormangel im Boden bis zur Vermittlung des biogeochemischen P-Zyklus." Biologie 10.2 (2021): 158.