宿主を持つ過剰活性ナノバクテリア

Nature Microbiology volume 8、pages 727–744 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

候補細菌門 Omnitrophota は分離されておらず、よく理解されていません。私たちは、生息地、代謝形質、ライフスタイルを評価するために、地球マイクロバイオームプロジェクトのデータとともに、6 分類 276 種を表す 72 の新たに配列決定されたオムニトロフォトタのゲノムと 349 の既存のオムニトロフォトタのゲノムを分析しました。私たちは、蛍光活性化細胞選別と差次的サイズ濾過を適用し、ほとんどのオムニトロフォタは水、堆積物、土壌に見られる超小型（〜0.2μm）細胞であることを示しました。 6 つのクラスのオムニトロフォタゲノムは減少していますが、酢酸生成 (Wood-Ljungdahl 経路の有無にかかわらず) や多様な呼吸などの主要な生合成経路とエネルギー保存経路は維持されています。オムニトロフォトタのゲノムの少なくとも 64% は細菌共生生物に典型的な遺伝子クラスターをコードしており、宿主に関連したライフスタイルを示唆しています。私たちは、安山岩、玄武岩、または花崗岩の風化が優勢な土壌からの定量的安定同位体調査データを再利用し、絶対的捕食細菌と一致する高い同位体摂取量を持つ 3 つのファミリーを特定しました。私たちは、ほとんどのオムニトロフォトタは捕食者または寄生者としてさまざまな生態系に生息していると提案します。

候補細菌門 Omnitrophota (同義語: OP3、Omnitrophica、Omnitrophicaeota、本明細書では正式に Omnitrophota と命名) は、特に水と堆積物における 16S リボソーム RNA 遺伝子調査 1,2 で同定されました。発表された 16S rRNA 遺伝子 2,3 およびメタゲノム 2,4 に基づいた研究 2,4 では、オムニトロフォタ属はプランクトミセトータ – ベルコミクロビオタ – クラミジオタ (PVC) 上門に分類されています。全栄養型は分離されておらず、顕微鏡で観察されたのは 2 種のみです。「Candidatus Omnitrophus Magnetus」SKK-01（参考文献5）は、硫黄含有物を含む大型の卵形で推定上自由生活性の磁性細菌（本明細書ではSKK-01と呼ぶ）として記載されている。「Ca. Velamenicoccus Archaeovorus の LiM6 は、メタン生成性のリモネン分解濃縮培養物中に遊離細胞として、および Methanosaeta6 を含む他の細菌または古細菌のエピバイオントとして存在する小さな (0.2 ～ 0.3 μm) 球菌として同定されました。エピビオントとして生きているとき、V. Archaeovors は異なる転写出力を持ち、リボソーム含有量が増加し、宿主細胞に損傷を与えるか殺すようです6。 SKK-01 と V. Archaeovors LiM のライフスタイルが異なることを考えると、どちらがこの門にとって意味のある代表であるかどうかは不明です。

以前の報告では、オムニトロフォトタの単一増幅ゲノム (SAG) およびメタゲノム構築ゲノム (MAG) の代謝能力には従属栄養好気呼吸または酢酸生成が含まれると提案されています 4,5,6,7,8。南極湖から採取した 14 個のオムニトロフォタ MAG と黒海の堆積物から採取した 1 個の MAG のゲノミクスを比較したところ、すべてが偏性発酵槽であることが示唆されました 7,9。しかし、これまでのところ、全栄養動物門の文脈内でゲノミクスデータを解釈するための体系的な取り組みは不足しています。

ここで我々は、SAG (75) と MAG (346) の概要を、細胞サイズと in situ 代謝研究とともに分析して、オムニトロフォタの生物学のより包括的な全体像を提示します。

全栄養型として分類されたゲノム（421）は、75のSAGと346のMAGを含む、私たち自身の新しいデータ（72ゲノム）と既存のデータ（349ゲノム）から収集されました（図1および補足表1）。ゲノムは、湖または川の水（111）、地下水（97）、地熱堆積物（64）、バルク土壌（59）、廃水（37）、海洋またはその他の塩分の堆積物（30）を含む環境生物群系サンプルに由来しています。

a、90% 以上の完全なオムニトロフォタゲノムのゲノムサイズ推定。 b、この分析に含まれるすべてのオムニトロフォタゲノムのゲノム完全性および16S rRNA遺伝子検出統計。色はクラスを表します。 a と b では、箱ひげ図は四分位範囲を表し、水平/垂直バーは平均値、垂直/水平バーは 95% 信頼区間を表します。 c、204 種のオムニトロフォタ種代表の連結 Bac120 マーカーセットから構築された最尤系統発生。各ヒントの末尾のかっこ内の数字は、補足表 1 のゲノム ID に対応します。点線のノードは、SH-aLRT サポート ≥80% および UFboot サポート ≥95% を示します。

70% of EMP samples. Soils displayed the highest taxonomic specificity, with only Omnitrophia, Velamenicoccia and class 2-02-FULL-51-18 occurring at high frequencies. Omnitrophia, Velamenicoccia and Gorgyraia occurred at higher relative abundances in anoxic aquatic environments relative to oxic waters. We propose a broad physicochemical niche for Omnitrophota, with most members being part of the rare biosphere./p>0.3 μm. On the basis of several marker gene sets, we concluded that the SAGs were not contaminated (Extended Data Fig. 1, and Supplementary Figs. 1 and 2), suggesting that either single cells were >0.3 μm or they might be dividing or are single-species aggregates. MAGs (112) from serially filtered cells revealed some species small enough to pass through a 0.2 μm filter in the Velamenicoccia (3), Gorgyraia (3) and Omnitrophia (2) classes (Fig. 2a). Similar to the SAGs, only a few MAGs were recovered from larger size fractions (>0.65 μm) from across the phylum, including Velamenicoccia (5 MAGs), Gorgyraia (8 MAGs), Omnitrophia (3 MAGs), Aquiviventia (1 MAG) and class 2-02-FULL-51-18 (1 MAG); however, whether these represent single cells >0.65 μm or aggregates is unclear. We note that 16S rRNA gene amplicon sequencing of abundant Omnitrophota populations from serial-filtered source water from Cave Spring, Kiup Spring and Grapevine Springs, all in the Spring Mountains of Nevada, produced similar results: all five classes and 13/14 families were more abundant on 0.2 μm filters than on 0.45 μm filters in all springs following tandem filtration (Fig. 2b,c). Together, these results show that cells of all classes of Omnitrophota are frequently among the smallest known cells (Supplementary Table 4)./p>0.5 μm, filled large circle). ‘Acetogen/WLP’, Wood-Ljungdahl pathway and acetogenesis; ‘acs2’, acetyl-CoA synthetase; ‘acsABCDE’, CO dehydrogenase/acetyl-CoA synthase; ‘Respiration’, ‘e- acceptors’ and ‘H2ase’ (hydrogenase) indicate genes predicted to encode proteins involved in energy metabolism. ‘Lo-O2’, cytochrome c oxidase complex; ‘Hi-O2’, cytochrome bd ubiquinol; ‘M+’, metal-reducing cytochromes; ‘e- Pilin’, conductive pili. Symbiosis-related genes include ‘T4aP’ (type-4a pilus), ‘Tad’ (tight-adherence pilus), ‘sF-ATP (‘symbiotic’ type 2/3 FoF1 ATPase α-subunit), ‘Translocase’ (ATP/ADP translocase) and ‘big ORF’ (indicating the presence of a large ORF). ‘Temp’, ‘O2’ and ‘pH’ indicate the observed temperature, oxygen concentration (mM) and pH of the sample from which each genome was sequenced. Data for additional Omnitrophota genomes are summarized in Supplementary Fig. 10./p>75% of 204 high- and medium-quality species representative genomes encoded biosynthetic pathways for nucleotides, all 20 amino acids, NAD, glutathione, pantothenate, coenzyme A, riboflavin, tetrahydrofolate and thiamine. Biosynthetic pathways for heme, cobalamin and biotin were present but not universal (that is, <75% of genomes). Biosynthetic pathways for pyridoxal-5P (M00124) were missing or incomplete across the phylum. C5-isoprenoid biosynthesis (M00096) was complete or near-complete and 4-hydroxybenzoate polyprenyltransferase was detected in >50% of genomes of the Omnitrophia and Aquiviventia, satisfying the requirements to commit 4-hydroxybenzoate to ubiquinone biosynthesis via 4-hydroxy-3-polyprenylbenzoate (M00017). However, chorismate-pyruvate lyase was not detected, so ubiquinone biosynthesis may initiate from an alternate source of 4-hydroxybenzoate rather than chorismate. Menaquinone biosynthetic pathways (M00016) were present in some Velamenicoccia genomes, particularly Zapsychrales. Quinone biosynthesis genes were absent from genomes of 2-02-FULL-51-18 species. Compared with other species from the PVC superphylum, genes not mapping to COGs were reduced in both richness and percentage (P < 0.05, one-way ANOVA and post-hoc Tukey’s HSD) (Supplementary Fig. 6). These analyses show that this phylum has a propensity towards small, streamlined genomes that retain most genes essential for a free-living lifestyle, including energy conservation./p>1% and <50% of species, or deleted if present in only one or no species. See Supplementary Tables 5 and 6 for details of these features for ANI cluster representatives. Red X indicates enzyme/complex is absent in Omnitrophota. * indicates canonical ubiquinone pathway is not complete./p>0.65 μm; Fig. 2). However, serial filtration and FACS indicated both large and small cell sizes in the class, and the scattering of systems indicating possible symbiosis suggests a complex history for this class./p> 0.05, ANOVA with post-hoc Tukey’s HSD) but were higher than those of facultative predators such as Lysobacter, Myxococcales and Streptomycetaceae, and free-living bacteria en masse (P < 0.05, ANOVA with post-hoc Tukey’s HSD; Supplementary Fig. 16); thus, we describe them as hyperactive. We caution against the interpretation that these Omnitrophota are necessarily obligate predators because their small cell size, and therefore higher DNA/biomass stoichiometry, might contribute to higher 18O content of Omnitrophota and other small cells. However, high isotope incorporation of facultative predators with large cell size in the same datasets and in other soils48 argues that the overall isotope incorporation pattern observed here for Omnitrophota is due to some form of symbiosis. Family 2-02-FULL-51-18 also assimilated high amounts of 13C-labelled glucose and oxalate, although long incubation times and high soil community complexity complicate interpretation of carbon source utilization./p>2.5 kbp using MetaBAT2 (ref. 55). The estimated quality of binned MAGs was evaluated using CheckM56, and initial classification was done using the GTDB Toolkit16 v1.1.010 to identify MAGs belonging to Omnitrophota./p>4 members. Additionally, some phyla, such as Firmicutes (labelled Firmicutes_A, Firmicutes_B and so on in GTDB) were collapsed into single units for simplicity. All phylum pairs and Omnitrophota class/phylum pairs were compared using ANOVA followed by Tukey’s HSD. The quantile of each Omnitrophota genome was then calculated as a function of this genome collection./p>

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