Beweeg over, cyanobacteriën! Een grootschalige studie van de oceaan aan het aardoppervlak geeft aan dat de microben die verantwoordelijk zijn voor het fixeren van stikstof daar - waarvan eerder werd gedacht dat het bijna uitsluitend fotosynthetische cyanobacteriën waren - een overvloedige en wijdverspreide reeks niet-fotosynthetische bacteriepopulaties omvatten.

De internationale studie, deze week gepubliceerd in Natuur Microbiologie , werd geleid door A. Murat Eren (Meren) van de Universiteit van Chicago en het Marine Biological Laboratory (MBL), bos gat, en Tom O. Delmont van de Universiteit van Chicago.

Stikstoffixatie is een kritisch ecologisch proces waarbij stikstof uit de lucht wordt omgezet in ammoniak, stikstof "biologisch beschikbaar" te maken voor levende organismen om te gebruiken als een fundamentele bouwsteen van DNA, RNA en eiwitten.

"Microben die stikstof of koolstof kunnen binden, staan ​​in veel omgevingen centraal in de ecologie van microbiële gemeenschappen, inclusief de oppervlakte oceaan, " zegt Delmont. "Voorafgaand aan onze studie, men dacht dat de mariene microben die verantwoordelijk waren voor koolstoffixatie ook grotendeels verantwoordelijk waren voor het fixeren van stikstof. Het blijkt niet zo eenvoudig te zijn."

"Het vermogen van microben om stikstof vast te leggen is van vitaal belang voor al het leven, " zegt David Mark Welch, MBL directeur onderzoek. "Deze studie vergroot ons begrip van de biologische diversiteit van stikstoffixatie door het eerste genomische bewijs te leveren dat niet-fotosynthetische bacteriën op het oceaanoppervlak deze reacties kunnen uitvoeren."

Anvi'o gebruiken, een state-of-the-art, open-source bio-informaticaplatform voor het analyseren van metanomen (de pool van DNA-sequenties die alle microbiële organismen vertegenwoordigen die in een omgeving worden aangetroffen), het team onthulde inzichten in voorheen onbekende mariene microben met stikstoffixatiemogelijkheden die zijn gelieerd aan zowel Proteobacteria als Planctomycetes, een veel voorkomende bacteriële stam die nog nooit eerder in verband is gebracht met stikstoffixatie.

Deze nieuw beschreven microbiële populaties komen veel voor en zijn vooral overvloedig aanwezig in de Stille Oceaan, waar ze gemiddeld naar schatting 700, 000 cellen per liter zeewater en tot 3 miljoen cellen per liter - ordes van grootte meer dan eerdere schattingen voor niet-cyanobacteriële stikstofbinders in de open oceaan.

Met behulp van gegevens die zijn gegenereerd tijdens de Tara Oceans-expeditie van 2009 tot 2013 Delmont en collega's reconstrueerden ongeveer 1, 000 microbiële genomen van meer dan 30 miljard korte metagenomische sequenties. Van die 1, 000 genomen, negen bevatten de zes genen die nodig zijn voor stikstofbinding, en toch ontbraken de genen die nodig zijn voor fotosynthese. Dit is de eerste genomische database van niet-fotosynthetische micro-organismen die in de open oceaan leven en in staat zijn om stikstof vast te leggen.

Omdat het team bijna volledige genomen heeft gereconstrueerd en gebruikt voor hun onderzoek (in plaats van een enkel merkergen te gebruiken voor stikstoffixatie), ze zouden de taxonomische banden van deze stikstofbindende populaties kunnen oplossen. Ze konden ook hun overvloed en verspreidingspatronen onderzoeken in de oceanen en zeeën waaruit de monsters kwamen (de Atlantische Oceaan, Grote Oceaan, Indische en zuidelijke oceanen en de Middellandse Zee en de Rode Zee).

"We kunnen deze populatiegenomen nu gebruiken om de laboratoriumkweek van stikstofbindende Planctomyceten en Proteobacteria uit de open oceaan te begeleiden, " zegt Delmont. "Dit zal ons helpen de omstandigheden te begrijpen waarin ze stikstof fixeren, de complexiteit van hun functionele levensstijl, en andere aspecten van hun ecologie die we niet kunnen begrijpen door alleen naar hun genomen te kijken, genen en afgeleide functies."

Meren en Delmont begonnen dit onderzoek aan het Marine Biological Laboratory in 2015 met de steun van een University of Chicago Lillie Innovation Award. Meren en zijn groep blijven anvi'o ontwikkelen, het open-source softwareplatform dat wordt gebruikt in deze en andere onderzoeken die de ecologie en evolutie van microben onderzoeken door middel van complexe omgevingssequentiegegevens.

"Milieumetanomen geven ons onvervalste toegang tot de complexiteit van natuurlijk voorkomende microbiële populaties, ", zegt Meren. "Hoewel ons vermogen om ze te begrijpen is overgeleverd aan onze moleculaire technologieën en rekenhulpmiddelen, het is verfrissend om te zien dat beide snel vooruitgaan, en er is nog zoveel te ontdekken. We kijken uit naar de vooruitgang op de bank die deze eerste inzichten in milieupopulaties onderbouwt die waarschijnlijk bijdragen aan een van de meest essentiële biochemische processen die onze planeet doen tikken."

"Deze studie is een ander voorbeeld van hoe het oplossen van genomen direct uit het DNA van hele microbiële gemeenschappen ons begrip van microbiële diversiteit transformeert, " zegt co-auteur Christopher Quince van de Universiteit van Warwick, Verenigd Koninkrijk.