Wie erkennt man mikrobielle Schwefelkreislaufnetzwerke durch Metagenome?

Was ist der mikrobielle Schwefelkreislauf?

Schwefel, ein unverzichtbarer Nährstoff für alle Lebensformen, dient als wichtiger Baustein für Aminosäuren wie Methionin und Cystein. In der Natur gibt es reichlich Schwefelvorkommen, insbesondere im marinen Ökosystem, wo Sulfat und Sulfid in großen Mengen gespeichert sind. Die Umwandlung von Schwefelverbindungen mit unterschiedlichen Valenzzuständen beruht hauptsächlich auf Mikroorganismen, die jeweils mit unterschiedlichen Stoffwechsel-Funktionen ausgestattet sind und zum komplexen Schwefelkreislauf beitragen. Unter verschiedenen Bedingungen erleichtern schwefeloxidierende Bakterien die Umwandlung von niedrigwertigen Schwefelkomponenten in Sulfat, sei es in aeroben oder anaeroben Umgebungen. Im Gegensatz dazu reduzieren sulfatreduzierende Bakterien, die unter anaeroben Bedingungen aktiv sind, Sulfat zu Sulfid und schließen diesen wesentlichen biologischen Kreislauf ab.

Die konzeptionelle Skizze bekannter Schlüsselproteine und -wege, die am mikrobiellen DMS/DMSP-Zyklus beteiligt sind. (Teng et al., 2021)

Metagenomische Datenanalyse

• Quantifizierung und vergleichende Analyse von funktionalen Genen des Schwefelkreislaufs: Detaillierte Berechnung der Genhäufigkeit funktionaler Gene des Schwefelkreislaufs.
• Schwefelzyklus-Funktionsgen-Pfadkarte: Visualisierung der Schlüsselwege und ihrer Wechselwirkungen.
• Vergleichende Analyse der Beta-Diversität zwischen Proben/Gruppen: Entdecken Sie die Vielfalt der Gene des Schwefelkreislaufs in verschiedenen Proben oder Gruppen.
• Wirt-Mikrobenidentifikation und gemeinsame Analyse mit funktionalen Genen: Verknüpfung mikrobieller Gemeinschaften mit den funktionalen Genen, die sie tragen, und Bereitstellung einer ganzheitlichen Perspektive.

Bitte lesen Sie unseren Artikel. Einführung in die Shotgun-Metagenomik, von der Probenahme bis zur Datenanalyse.

Forschungsprozess

• KEGG-Annotations Ergebnisse von Metagenom Standardanalyse: Nutzung der KEGG-Annotation zur Identifizierung relevanter Gene im Schwefelkreislauf.
• Integration von Kohlenstoff-, Stickstoff-, Schwefel- und Phosphorzykluswegen: Umfassendes Verständnis der miteinander verbundenen Stoffwechselzyklen.
• Detaillierte Berechnung der Genabundanz: Präzise Quantifizierung der Genabundanz für jeden Stoffwechselweg (Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor) in jeder Probe.
• Inter-Sample Genabundanzvergleiche: Aufdeckung der Variationen und Beziehungen zwischen verschiedenen Proben.

Fallstudie: Biogeografische Charakterisierung des Zyklus von Dimethylsulfid und Dimethylmercaptopropionat

Dimethylmercaptopropionat (DMSP) ist eine verbreitete marine Verbindung, die für die bakterielle Ernährung und den globalen Schwefelkreislauf von entscheidender Bedeutung ist. Mikroorganismen metabolisieren DMSP zu flüchtigem Dimethylsulfid (DMS), einem "klimaaktiven" Gas mit erheblichen Auswirkungen auf die atmosphärische Chemie und den globalen Klimawandel.

In dieser Studie führten sie durch Metagenomik und Metatranskriptomik Analysen von Meerwasserproben aus polareren und niederen Breiten-Ozeanen, die Licht auf die biogeografischen Merkmale von mikrobiellen Genen werfen, die am DMS/DMSP-Zyklus beteiligt sind.

Relative Häufigkeit potenzieller Gene, die am bakteriellen DMS/DMSP-Zyklus beteiligt sind. (Teng et al., 2021)

Ihre Ergebnisse zeigen, dass die polaren Ozeane eine höhere Genabundanz im Zusammenhang mit dem DMS/DMSP-Zyklus aufweisen als die Ozeane in niedrigen Breiten, was eine ausgeprägte biogeografische Verteilung demonstriert. Schlüsselgene wie DMSP-Demethylase (DmdA), DMSP-spaltende Enzyme (DddD, DddP und DddK) sowie Trimethylamin-Monooxygenase (Tmm), die DMS zu Dimethylsulfoxid oxidiert, sind zentrale Akteure im globalen DMS/DMSP-Zyklus.

Innerhalb des polar-marinen DMS/DMSP-Zyklus spielen α-Amoeben und γ-Amoeben eine entscheidende Rolle. Überraschenderweise ist das biogeografische Muster des DMS/DMSP-Zyklus in den polaren Ozeanen hauptsächlich mit der Probenahmetiefe verbunden, anstatt mit der geografischen Distanz, was darauf hindeutet, dass die Verteilung nicht durch Dispersionsbeschränkungen eingeschränkt ist, sondern vielmehr von Variationen in Oberflächen- und Tiefenwasserhabitaten beeinflusst wird.

Analysen der Interprobenähnlichkeit zwischen den polaren und unpolaren Meerwasserproben. (Teng et al., 2021)

Abschließend hebt diese Forschung die Bedeutung des mikrobiellen Schwefelkreislaufs in marinen Ökosystemen hervor, mit der Nutzung von metagenomische Daten wertvolle Einblicke in die Verteilung und Vielfalt wichtiger Gene, die am DMS/DMSP-Zyklus beteiligt sind, und trägt letztendlich zu unserem Verständnis der biogeochemischen Prozesse der Erde bei.

Phylogenetische Vielfalt von DMS/DMSP-Zyklus-assoziierten Genen in den Arktischen und Antarktischen Ozeanen. (Teng et al., 2021)

Referenz:

1. Teng, Zhao-Jie, et al. "Biogeografische Eigenschaften des Dimethylsulfids und des Dimethylsulfoniopropionats im Zyklus der polarer Ozeane." Mikrobiom 9.1 (2021): 1-17.