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Genomic and transcriptomic dissection of theionarchaea in marine ecosystem

Science China(Life Sciences) 2022年第6期65卷 1222-1234页

作者： Mingwei Cai Changhai Duan Xinxu Zhang Jie Pan Yang Liu Cuijing Zhang Meng Li Archaeal Biology Center Shenzhen Key Laboratory of Marine Microbiome EngineeringInstitute for Advanced StudyShenzhen UniversityShenzhen 518060China SZU-HKUST Joint PhD Program in Marine Environmental Science Shenzhen UniversityShenzhen 518060China

theionarchaea is a recently described archaeal class within the Euryarchaeota.While it is widely distributed in sediment ecosystems,little is known about its metabolic potential and ecological features.Here,we used metagenomics and metatranscriptomics to characterize 12 theionarchaeal metagenome-assembled genomes,which were further divided into two subgroups,from coastal mangrove sediments of China and seawater columns of the Yap Trench.Genomic analysis revealed that apart from the canonical sulfhydrogenase,theionarchaea harbor genes encoding heliorhodopsin,group 4[NiFe]-hydrogenase,and flagellin,in which genes for heliorhodopsin and group 4[NiFe]-hydrogenase were transcribed in mangrove sediment.Further,the theionarchaeal substrate spectrum may be broader than previously reported as revealed by metagenomics and metatranscriptomics,and the potential carbon substrates include detrital proteins,hemicellulose,ethanol,and CO_(2).The genes for organic substrate metabolism(mainly detrital protein and amino acid metabolism genes)have relatively higher transcripts in the top sediment layers in mangrove wetlands.In addition,co-occurrence analysis suggested that the degradation of these organic compounds by theionarchaea might be processed in syntrophy with fermenters(e.g.,Chloroflexi)and methanogens.Collectively,these observations expand the current knowledge of the metabolic potential of theionarchaea,and shed light on the metabolic strategies and roles of these archaea in the marine ecosystems.

关键词： theionarchaea metagenome metatranscriptome metabolic potentials ecological roles

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红树林湿地新型产甲烷菌的生态功能研究

红树林湿地新型产甲烷菌的生态功能研究

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作者：段昌海深圳大学

学位级别：硕士

产甲烷菌是一类能利用简单化合物产生甲烷气体的厌氧菌。广古菌门(Euryarchaeota)目前含有七个产甲烷菌目,其中包括一个新的产甲烷菌类群:Methanofastidiosa(WSA2)。基因组分析等研究发现这类新型产甲烷菌具有独特的甲烷代谢通路以及广... 详细信息

产甲烷菌是一类能利用简单化合物产生甲烷气体的厌氧菌。广古菌门(Euryarchaeota)目前含有七个产甲烷菌目,其中包括一个新的产甲烷菌类群:Methanofastidiosa(WSA2)。基因组分析等研究发现这类新型产甲烷菌具有独特的甲烷代谢通路以及广泛的生态分布,科学家推测它在全球生态调节以及碳循环中可能起到了不可忽视的作用。红树林湿地生态系统以其高生产力,高生物多样性且是CH的主要来源备受科学界的关注。在前期调查工作中发现深圳福田红树林自然保护区沉积物中存在一定数量的Methanofastidiosa。本文研究了新型产甲烷菌Methanofastidiosa的全球生态分布情况,以及它们在深圳福田红树林湿地中不同位点不同深度沉积物中的相对丰度及其与环境因子(总氮,总碳,p H,铵盐,硝酸盐,亚硝酸盐)间的相关性。本研究还在福田红树林湿地生态系统中构建了多个Methanofastidiosa的基因组,比较分析了不同产甲烷菌的系统发育关系、产甲烷代谢通路的差异及其表达活性。最后,结合基因组所预测的代谢通路,利用不同的甲基化合物对福田红树林沉积物样品中Methanofastidiosa进行富集培养,考察Methanofastidiosa对不同有机碳源的响应。此外,本文还在研究Methanofastidiosa的同时发现了一类与之进化关系非常接近的新型古菌——theionarchaea,推测其可能是是一类潜在的产甲烷菌。结合之前研究结果,对theionarchaea的生态分布进行了补充研究,同时也在福田红树林湿地中也获取了theionarchaea的基因组和转录组数据,对其系统发育地位、关键代谢通路(碳,氮,硫)进行了详细分析,最后结合转录组数据对其在红树林生态系统中所扮演的生态角色进行了推测。综上,本研究共获得如下结果:1.在Methanofastidiosa的生态分布调查中,获得共12类219个独立研究生境信息,其中有68个独立研究显示其分布于活性污泥/反应器,27个显示其分布于海洋沉积物中,25个显示其分布于油/气储藏罐,表明Methanofastidiosa具有广泛的生态分布。2.在福田红树林湿地生态系统6个采样点中,MF1表层Methanofastidiosa含量最高,占总古菌的59.34%。与环境参数的皮尔森相关分析表明Methanofastidiosa相对丰度与亚硝酸盐浓度呈极显著正相关(R=0.507,Ptheionarchaea是一类与Methanofastidiosa进化关系非常接近的新型古菌,研究推测其可能具有产甲烷能力,生态分布研究显示其主要分布于沉积物环境中。系统发育学分析结果显示,theionarchaea可以分为三个亚族,其中亚族一主要分布于淡水沉积物中,亚族二主要分布于咸淡水交界环境,亚族三主要分布于含盐度较高的环境。6.代谢通路分析显示,theionarchaea具有降解多种大分子有机物(如蛋白质、糖和脂质等)的能力,同时可以产生多种支持环境其他异养微生物的小分子有机物(乙酸,乙醇,甲酸)。theionarchaea多样化的碳、氮、硫和氢代谢潜能使其能够在不同的环境中生存繁衍,因此本研究推测theionarchaea在自然环境中扮演着“中间者”的生态角色。

关键词：红树林湿地新型产甲烷菌 Methanofastidiosa 生态分布代谢分析富集培养 theionarchaea

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