메탄영양성 ANME의 진화적 다양화

자연 미생물학 8권, 231~245페이지(2023)이 기사 인용

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'Candidatus Methanophagales'(ANME-1)은 심해 퇴적물에서 혐기성 메탄 산화를 담당하는 고세균의 목 수준 분류군입니다. ANME-1의 다양성, 생태 및 진화는 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 이 연구에서는 심해 열수 샘플에 대한 메타게놈학을 사용하여 ANME-1 다양성을 확장하고 바이러스-숙주 역학의 효과를 밝혀냅니다. 계통발생학적 분석을 통해 단쇄 알칸 산화제와 밀접하게 관련된 깊은 분지형 호열성 과인 'Candidatus Methanospirareceae'가 밝혀졌습니다. 전체 계통발생과 거의 완전한 게놈은 ANME-1 내의 수소 대사가 수직적으로 유전되었지만 계통 다양화 과정에서 차등적으로 손실된 고대 특성임을 보여줍니다. 또한 Metagenomics는 지금까지 ANME-1 고세균만을 표적으로 삼는 설명되지 않은 16개의 바이러스군을 발견하여 독특한 구조적 및 복제적 특성을 보여주었습니다. 광범위한 ANME-1 바이롬에는 바이러스 매개 유전자 대체를 통해 숙주 생태와 진화에 영향을 미칠 수 있는 대사 유전자 레퍼토리가 포함되어 있습니다. 우리의 결과는 혐기성 메탄과 단쇄 알칸 산화제 사이의 진화적 연속체를 제안하고 메탄 중심 생태계의 역학 및 진화에 대한 바이러스의 영향을 강조합니다.

혐기성 메탄영양 고세균(ANME)은 혐기성 메탄 산화(AOM) 능력을 독립적으로 진화시킨 고세균 계통의 다계통 그룹입니다. 이 과정은 심해 퇴적물에서 전 세계적으로 생산되는 메탄의 80% 이상을 제거하는 것으로 추정됩니다1. 메탄생성 경로를 역전시키는 것2. ANME-2 및 ANME-3 계통은 현재 Methanosarcinales 목의 메탄 생성균과 공통 조상을 공유하는 반면, ANME-1 고세균은 비메탄 알칸 분해자인 'Candidatus Syntrophoarchaeales'의 자매인 자체 목 'Candidatus Methanophagales'를 형성합니다. ' 및 'Candidatus Alkanophagales'3. ANME-1은 다른 ANME와 자주 공유하는 춥고 온화한 심해 서식지를 넘어 자랄 수 있으며, 열수 환경 내의 더 높은 온도에서 독특하게 번성합니다2,4,5. 해양 퇴적물에서 ANME는 주로 종간 전자 전달을 통해 황산염 감소 박테리아와 신트로픽 연관성을 형성합니다. 그러나 일부 ANME-1은 파트너 박테리아가 없는 단일 세포 또는 단일특이적 컨소시엄으로 관찰되었으며5,9,10,11수소영양 메탄 생성을 수행하도록 제안되었지만10,11,12생리학적 실험은 지금까지 이 가설을 뒷받침하지 못했습니다. ,14. 전반적으로, 단쇄 알칸 친척 및 기타 ANME 계통에서 ANME-1의 생리학적 및 생태학적 다양화에 어떤 요인이 기여했는지는 대체로 불분명합니다.

많은 메탄이 풍부한 생태계에서 ANME 고세균의 지배력에도 불구하고 ANME 계통을 표적으로 하는 바이러스는 대부분 탐색되지 않았습니다15,16,17. 복제 및 용해 주기를 통해 숙주 세포 자원을 활용하고 유출함으로써 바이러스는 다양한 미생물 시스템에서 생태 역학 및 영양 순환에 중요한 역할을 합니다. 심해 생태계에서 바이러스 용해는 전 세계적으로 최대 약 0.3~0.5기가톤의 탄소를 방출하는 연간 고세균 사망을 유발하는 것으로 추정됩니다19. 따라서 ANME 바이러스의 분포와 기능을 특성화하는 것은 ANME 생리학을 심해 메탄 기반 생태계의 원소 및 에너지 흐름과 정량적으로 연결하고 ANME 진화의 동인을 이해하는 가장 중요한 작업 중 하나입니다.

이 연구에서 우리는 멕시코 캘리포니아만의 Southern Pescadero Basin 열수 통풍구 시스템에서 천연 및 실험실에서 배양 된 광물 샘플에서 ANME-1의 13 개의 메타 게놈 조립 게놈 (MAG)을 회수했습니다 (보충 표 1 및 2). 이 샘플은 ANME-1a 계통, 특히 ANME-1 G60 그룹 내에서 알려진 다양성을 확장했을 뿐만 아니라 5개의 MAG와 이전에 특성화되지 않은 깊은 가지 계통의 계통발생학적으로 베이스에 위치한 1.6Mb 원형 게놈 비계를 포함했습니다. ANME-1 순서 (그림 1, 확장 데이터 그림 1 및 보충 표 2 및 3). 우리는 이 가족 수준의 계통을 'Candidatus Methanospirareceae' 또는 ANME-1c라고 명명합니다. 기본 위치를 고려할 때, 이는 비메탄 알칸 분해자인 Alkanophagales 및 Syntrophoarchaeales21의 자매 목에 계통발생적으로 가장 가까운 ANME-1입니다.