rejtett egyszerű látvány–rendkívül bőséges és változatos planktonikus édesvízi Chloroflexi

bőség és sokféleség a törzs Chloroflexi édesvízi környezetben

alapján 16S rRNS olvasni abundances 117 metagenomes tavak, víztározók és folyók, képviselői a törzs Chloroflexi állt akár 7%–át a törzs Chloroflexi prokarióta közösség az epilimnionban (ábra. 1a, b) azonban nagy ingadozásokkal. A korábbi megfigyelésekhez hasonlóan a CL500-11 vonal uralta a hypolimnion mintákat (egy minta kivételével mindegyikben legalább 16% – ot, a Biwa-tóból származó mintában pedig közel 27% – ot ért el) (ábra. 1c), kivéve egy kevésbé ismert csoportot, amelyet TK10 klaszternek neveznek. A SILVA adatbázisban a TK10-hez kapcsolódó 16S rRNS szekvenciák többsége talajból, emberi bőrből vagy ismeretlen metagenomikus mintákból származik, míg csak négy (1,5%) édesvízből származik (további fájl 1: S1A ábra).

meglepő módon az epilimnion mintákat az “SL56 marine group” – hoz kapcsolódó szekvenciák uralták (kb. A teljes prokarióta közösség 5% – a). Az SL56-hoz kapcsolódó SILVA szekvenciákat egy édesvízi tóból és a Global Ocean Series adatkészletekből (gos) nyerték ki . Azonban a GOS minta, amelyből leírták őket, valójában egy édesvízi adatkészlet, a Gatun-tó (Panama). Eredményeinkből egyértelműen kitűnik (Fig. 1; További fájl 1: S2 Ábra), hogy ez a klaszter következetesen csak tavakban található meg, víztározók, folyók, de nem a tengeri élőhelyen, ami arra utal, hogy helytelenül “tengeri csoportnak” nevezték.”A szekvenciák egy másik csoportját, amelyet jg30-KF-CM66-nak neveznek, különböző környezetekből (uránbányászati hulladékhalom, talaj, édesvíz, tengervízoszlop és üledék) írtak le, úgy találták, hogy a folyókban (különösen az Amazonas folyóban) előnyben részesítik, mint a tavakban (ábra. 1a, b), bár nagyon alacsony abundanciával (az összes prokarióta legfeljebb 1% – A). Hasonló abundanciákat találtak a sós Kaszpi-tengeren (40 m és 150 m mélység) (további fájl 1: S2 ábra).

azonban nem találtunk támogatást sem a SAR202 klaszter, sem az édesvízi testvér clade CL500-9 jelenlétére az összes vizsgált édesvízi metagenomikus adatkészletben. A tengeri és sós élőhelyeken a SAR202 szinte kizárólag a sötét afotikus rétegekben található meg, ahol a prokarióta közösség 30% – át teszik ki . Ha az édesvízi élőhelyekben vannak SAR202-vel kapcsolatos kládok, akkor ezek biztosan nem túl bőségesek, vagy talán nem az eredeti jelentés vízoszlopából származnak (1.kiegészítő fájl: S1. ábra). Összességében, annak ellenére, hogy az édesvízi epilimnia-ban a Kloroflexi relatív mennyisége jóval alacsonyabb, mint a mélyebb vizekben, új csoportok gazdag és széles körben elterjedt gyűjteményének ad otthont.

ezekkel a megfigyelésekkel az is nyilvánvaló, hogy az itt vizsgált vízi környezetben (édesvízi, sós és Tengeri) a Kloroflexi képviselőinek sokfélesége lényegesen eltérő, az édesvízi környezet filogenetikailag változatosabb csoportválasztékot rejt magában, mint a sós vagy a tengeri. Továbbá egyértelmű bizonyíték van arra, hogy csak édesvízi csoportok vannak jelen (pl., SL56) és a csak tengeri és Brakk csoportok (SAR202), megismételve, hogy a sótartalom akadályt jelent az édesvízi és tengeri ökoszisztémák közötti mikrobiális élőhely-átmenetek előtt . Ez egyáltalán nem leküzdhetetlen akadályt, mint viszonylag friss átmenetek édesvízi tengeri (például az édesvízi ” ca. Methylopumilus spp.”és tengeri OM43) és fordítva (tengeri Pelagibacter és édesvízi LD12 ) egyaránt javasolták. Valószínű azonban, hogy a sós környezetben található csoportok talán egyszerűen jobban “alapozhatók” a sikeresebb támadásokhoz. Találunk példákat olyan csoportokra, amelyek édesvízi és Brakk metagenomokban vannak jelen (JG30-KF-CM66 és CL500-11).

a klór-Flexi főbb édesvízi képviselői

a klór-Flexi-vel kapcsolatos kapcsolódások automatizált binningje minden 57 adatkészletből, amelyek 14 különböző környezethez tartoznak (28 tó/víztározó, 26 folyó és 3 Brakk-adatkészlet), összesen 102 mag (metagenom-összeállított Genom) elkülönítését eredményezte (további 2.fájl: S1 táblázat). A 30%-os vagy annál nagyobb teljességű (n = 53) mag-k filogenomikai elemzése azt mutatja, hogy a mag-k rendkívül nagy sokféleségét gyakorlatilag az összes jól ismert Kloroflexi-osztályból kinyerték (ábra. 2). Harmincöt mag három különálló új osztályszintű vonalat alkotott, amelyek nem rendelkeztek tenyésztett képviselőkkel (SL56, TK10 és JG30-KF-CM66).

míg a fluoreszcencia in situ hibridizáció, majd a katalizált reporter lerakódás (CARD-FISH) a CL500-11 sejtek nagy számát észlelte a Zürichi-tóban epilimnion télen a részleges mixis során a csúcsbőség szintjét mindig mélyebb zónákban találták, mindkét Zürichi-tóban (az összes prokarióta 11% – áig; ábra. 3a) és a Biwa-tó (legfeljebb 14%; ábra. 3d). A CL500-11 abundancia negatívan Korrelált mind a hőmérséklettel, mind a klorofill a koncentrációval (további fájl 1: S3 Ábra). A Dzimov-tározómintákban azonban a CL500-11 a kimutatási határ alatt volt (< 0,18%), ami arra utal, hogy ez a viszonylag sekély élőhely (maximális mélység 43 m) nem jelent előnyös rést ennek a baktériumcsoportnak (további fájl 1: S4 ábra). A CL500-11 sejteket korábban KÁRTYAHALAK vizualizálták, és nagy, ívelt sejteknek bizonyultak . Hasonló alakzatokat és méreteket figyeltek meg a Zürichi-tóból származó HALMINTÁKBAN, amelyek átlagos hossza 0,92 (0,4–1,6 (n = 277) és szélessége 0,28 (0,19–0,39). A sejtek térfogatának elemzése (medián 0.06 6m3) és biomassza ebben a klaszterben, összehasonlítva az összes prokariótával (ábra. 3c) azt sugallja, hogy a CL500-11 populáció rendkívül nagy mértékben járul hozzá a teljes mikrobiális biomasszához. Biomassza-bőség arányuk közel 2, azaz 10% – os bőség mellett a teljes prokarióta biomassza csaknem 20% – át teszik ki, ami figyelemre méltó alkalmazkodást jelez a viszonylag oligotróf mély hipolimnionhoz, nagy populációk elérése még nagy sejtméretükkel is.

összesen 11 mag-ot (10 édesvíz, 1 sós) nyertünk a CL500-11 számára. A Biwa-tó mind a négy magja különböző hónapokból egyetlen fajt alkot. Úgy tűnik azonban, hogy a Zürichi-tóból származó két faj egész évben együtt él (március, május és November), az egyik faj elágazik a korábban leírt Michigan-tóból származó maggal (CL500-11-LM), a másik fajnak pedig közeli képviselői vannak a sós Kaszpi-tengerben is (> 95% Ani) és hasonló metagenomikus fragmentumok toborzási mintái (füge. 2 és 4c). Javasoljuk a jelölt nemzetség Profundisolitarius (Pro.fun.di.so.li.ta’ri.us. L. adj. profundus mély; L. adj. egyedül solitarius; N. L. masc. n. Profundisolitarius egyetlen remete a mély) belül Candidatus Profundisolitariaceae fam. November. a CL500-11 klaszterhez (anaerolinea osztály).

másrészt az SL56 csoport a domináns leszármazás a Xhamimov-tározóban (maximum 1.1%), mind a 16S rRNS, mind a CARD-FISH elemzések (füge. 1.és 3.). A maximális abundanciákat szinte mindig 5-20 m körül találták kb. 15 C, ami arra utal, hogy ez a csoport elsősorban epilimnetikus (további fájl 1: számok S3 és S4). A vízoszlop ezen régiója (termoklin) a hőmérsékleti gradiens mellett a felületi rétegekhez képest lényegesen alacsonyabb fényintenzitással is rendelkezik. A gyenge fényviszonyok mellett adaptált cyanobacterium Planktothrix rubescens csúcsmennyisége körülbelül 13 m mélységben a Zürichi-tó rétegzett nyári profiljaiban egybeesik az SL56 maximális bőségével (1.kiegészítő fájl: S3 ábra). Az SL56 cellák rúd alakúak és megnyúltak (átlagos hossz = 0,68 ~ 0,25 ~ m; átlagos szélesség = 0,35 ~ 0,09 ~ M; n = 6; ábra. 3e). Legjobb tudomásunk szerint ez az első jelentés egy édesvíz-specifikus Kloroflexi csoportról, amely úgy tűnik, hogy virágzik az epilimnionban.

összesen 14 mag került kinyerésre az SL56 klaszterhez (1, amely 16S rRNS-t tartalmaz), és egy osztályszintű vonalat alkotnak, amely jelentősen eltér az összes ismert Kloroflexitől (ábra. 2). Egyetlen rokonuk a víztartó üledékből leírt egyetlen MAG (Chloroflexi CSP1-4). A 16S rRNS klád , amelyhez a CSP1-4 állítólag a Gitt-GS-136-hoz kapcsolódik, és ebben a kládban a szekvenciák többsége talajból vagy folyami üledékekből származik (információk A SILVA taxonómiából). Azonban nem tudtunk kimutatni 16S rRNS szekvenciát (részleges vagy teljes) a CSP1-4 rendelkezésre álló genomszekvenciájában. A Gitt-GS-136-hoz és az SL56-hoz legközelebb eső klád (a 16S rRNS rendszertanban) a KD4-96, amelynek szekvenciáit ugyanabból az élőhelyből nyerték (lásd további 1.fájl: S1B ábra). Ezenkívül az SL56 csoport összes ismert 16S rRNS szekvenciája csak édesvízből származik (Gatun-tó, Zürichi-tó stb.). Összességében úgy tűnik, hogy az édesvízi SL56 vonal legközelebbi filogenetikai rokonai a talajban vagy az üledék élőhelyeiben élnek.

az SL56 mag-okat földrajzilag távoli helyekről rekonstruálták (Európa, Észak-és Dél-Amerika, ábra. 2), és legalább kilenc különböző fajt lehetett kimutatni (ANI, ábra. 1). A Biwa-tó mintáiból nem kaptunk MAGs-t, de három 16S rRNS szekvenciát kinyert kötetlen összefüggésekben. A rekonstruált mag-ok globálisan eloszlanak az epilimnion édesvízi adatkészletei mentén (egyiket sem észlelték a mély hypolimnionban) (ábra. 4. és 1. kiegészítő fájl: S6. ábra). A Kaszpi-tengerből egyetlen SL56 mag-ot sem rekonstruáltak, és a Brakk metagenomokból toborzott visszanyert genomok egyikét sem. Javasoljuk, hogy a jelölt nemzetség Limnocylindrus (Lim. no. cy. lin ‘ drus.Gr. fem. n. limne egy tó; L. masc. n. cylindrus egy henger; N. L. masc. N. Limnocylindrus egy henger egy tó) belül Limnocylindraceae fam. November., Limnocylindrales ord. nov. és Limnocylindria classis. November. a Chloroflexi SL56 klaszter esetében.

a Tk10 16S rRNS szekvenciákat a Biwa-tó hipolimnion mintáiban a legnagyobb mennyiségben találták(maximum kb. 2%) (ábra. 1a, c). A sejtek tojásdadok voltak, becsült hosszuk 1,08 0,1 km, szélességük pedig 0,84 km 0,09 m volt (n = 12; ábra. 3e). Egy koherens klaszter kilenc mag (három tartalmazó 16S rRNS további fájl 1: S1 ábra) földrajzilag távoli helyekről (Európa, Ázsia és Észak-Amerika) került elő. Ezek a figyelemre méltóan kozmopolita organizmusok, amelyek a mélyebb tórétegekben virágoznak, nem nagyon változatosak (ani értékek > 95%). Ez a látszólag alacsony sokféleség egy nagyon speciális fülke következménye lehet, vagy ami valószínűbb, az édesvízre való viszonylag friss átmenet eredménye, hasonló a “kb. Fonsibacter ” (LD12 Alphaproteobaktériumok) . A 16S rRNS képviselőit magabiztosan detektálták tengeri vagy sós metagenomokban, bár a SILVA adatbázis néhány 16S rRNS szekvenciáját tengeri üledékekből és vízoszlopból nyerték (további fájl 1: S1 ábra). Úgy tűnik, hogy a 16S rRNS legközelebbi rokonai talajból vagy üledékmintákból származnak, ami arra utal, hogy ezek lehetnek az eredeti élőhelyük. Érdekes, hogy a TK10 klaszter is mélyen elágazó, csak miután SL56 és CSP1-4 a filogenetikai fa Chloroflexi nagy, és az összes többi Chloroflexi képviselői (MAGs vagy izolátum genomok) úgy tűnik, hogy leszármazottja egy ága különbözik mindkét. Javasoljuk az Umbricyclops jelölt nemzetséget (Um.bri.cy ‘ clops. L. fem. N. umbra árnyék; L. masc. n. cyclops (Gr. Kerek szem; Cyclops)egy cyclops; N. L. masc. N. Umbricyclops egy kerek szem él az árnyékban) belül Umbricyclopaceae fam. November., Umbricyclopales ord. nov., és Umbricyclopia classis nov. a szervezetek ezen csoportja számára.

CARD-FISH eredmények azt mutatják, hogy a JG30-KF-CM66 sejtek gömb alakú, becsült átmérője 0,56 6 m (0,15 m; n = 8; ábra. 3e); azonban nagyon alacsony arányokat (< 0,28%) figyeltek meg a JG30-KF-CM66 esetében a Zürichi-tóban és a Dzühimov-víztározó mélységprofiljaiban (további 1.fájl: S3 és S4 adatok). Kaptunk 12 MAGs, többnyire a mélyvíz oszlop (nyolc sós, négy édesvízi), az egyik egy közel teljes 16S szekvencia, hogy kialakult egy új osztály szintű lineage a filogenomikai elemzés (ábra. 1). Ezeknek a magoknak a legközelebbi rokonai a marine SAR202 és a Dehalococcoidea (ábra. 1. és 1. kiegészítő fájl: S1. ábra). Ezen a klaszteren belül megkülönböztethetők a Brakk és az édesvízi MAGs különálló csoportjai. Javasoljuk a jelölt nemzetség Bathosphaera (Ba.tho.sphae ‘ ra. A. adj. bathos mély; L. fem. n. sphaera egy gömb; N. L. fem. n. Bathosphaera a coccoid baktériumok élnek a mély) belül Bathosphaeraceae fam. November., Bathosphaerales ord.nov. és Bathosphaeria classis. November. a Chloroflexi JG30-KF-CM66 klaszterhez.

a Chloroflexia (négy mag) és a Caldilineae (két mag) osztályokban (Fig. 1). A Chloroflexia mag-ok a mesophilic Oscillochloris trichoides DG-6 alrendjében, a Chloroflexineae (egy MAG) és a kouleotrichaceae családba tartozó Kouleothrix aurantiaca-hoz kapcsolódtak. November. új alrend kialakítása, amelyre a kouleothrichniae alrend nevet javasoljuk. November. Egyik feljegyzés sem mutat jelentős töredék toborzást a származási helyükön kívül. További 14 mag a Kaszpi-tengerből, amely a SAR202 klaszterhez kapcsolódik, amelyet itt nem tárgyalunk tovább, amint azt már leírták .

az édesvízi Chloroflexi hozzájárulása az ökoszisztéma működéséhez

a rekonstruált Chloroflexi MAGs metabolikus betekintése (teljesség ~ 30%) elsősorban heterotróf életmódra utal, amelyet egyes csoportokban a fényvezérelt energiatermelés vagy rodopszinok (CL500-11, Chloroflexales, SL56 és TK10), vagy aerob anoxigén fototrófia (Chloroflexales) révén fokozza. Az egyes klaszterek magjai tartalmazzák a központi szénhidrát anyagcseréhez szükséges géneket, beleértve a glikolízist, a glükoneogenezist és a trikarbonsav ciklust. Az asszimilációs szulfát redukció kulcsfontosságú génjei (3′-foszfoadenozin-5′ – foszfoszulfát (PAPS) szintáz és szulfát-adenilil-transzferáz) a legtöbb mag-ben hiányoztak, ami exogén redukált kénvegyületek felhasználására utal . Denitrifikációs géneket (nitrát-reduktáz/nitrit-oxidoreduktáz alfa és béta alegységek és nitrit-reduktáz) találtak a tk10 mag-ban, de a molekuláris nitrogén előállításáért felelős későbbi enzimek hiányoztak.

vízi környezetben a Thaumarchaeota és a cianobaktériumok jelentik a kobalamin és korrinoid prekurzorainak fő forrását az auxotrófok nagy közösségének vagy azon keveseknek, akik képesek megmenteni . A kobalamin de novo szintézisének magas az anyagcsere költsége, és a Fekete Királynő hipotézist magyarázatként terjesztették elő, hogy miért csak néhány közösség tagja vállalja a termelését . A rekonstruált Chloroflexi mag-k egyike sem kódolja a corrin gyűrű bioszintéziséhez szükséges géneket a semmiből, és nagy affinitású kobalamin (BtuBFCD) vagy más feltételezett corrinoid (DET1174-DET1176) transzporterek szintén hiányoztak, ami a genom hiányának vagy egy le nem írt transzporter használatának következménye lehet. Úgy tűnik azonban, hogy ezek az organizmusok nem mindegyike auxotróf, mivel a Jg30-KF-CM66 klaszter magjai kódolják a kobinamid génjeit kobalamin-mentési útvonalra, amely az importált korrinoidokat használja a riboflavin bioszintézis útjának köztitermékeivel együtt a kobalamin szintetizálására . A ZH-klór-G3 MAG szinte teljes kobalamin-mentést tartalmaz (csak hiányzik a CobC) és a riboflavin bioszintézis útvonalát (további Fájl 3: S2 táblázat).

flagelláris assembly gének voltak jelen több MAGs CL500-11 és TK10 klaszterek (ábra. 1. és 3. Kiegészítő fájl: S2 táblázat). Azonban az L – és P-gyűrűs komponensek, amelyek a flagellát a külső membránhoz rögzítik, hiányoztak az összes flagellált mag-ban és a referencia Chloroflexi genomokban (például Termomikrobium , Sphaerobacter ). Ezenkívül a MAGs és a referencia-Kloroflexi genomok nem kódoltak géneket az LPS bioszintéziséhez, és a Sec és a Tat kivételével nem észleltek szekréciós rendszereket (a külső membránba rögzített I–IV típusú szekréciós rendszerek hiányoznak) (kiegészítő Fájl 3: S2 táblázat). Összességében a rendelkezésre álló Chloroflexi genomok összehasonlító genomikája megerősíti azt a következtetést, hogy míg az elektronmikrográfiák két elektronsűrű réteget sugallnak ennek a törzsnek a legtöbb tagjában, a Chloroflexi valószínűleg egyetlen lipidmembránnal (monoderma) rendelkezik, nem pedig kettővel (diderms) .

a vizsgálat 18 magjában Rodopszinszerű szekvenciákat ismertek fel a CL500-11, A Kloroflexia, az SL56 és a TK10 képviselőitől, amelyek filogenetikailag legközelebb állnak a xanthorhodopszinokhoz (további fájl 1: S8A és B ábra), és úgy vannak beállítva, hogy elnyeljék a zöld fényt, hasonlóan a többi édesvízi és Parti rodopszinhoz (további fájl 1: S8C ábra). Számos mag kódolja a karotinoid bioszintézis génjeit, lehetővé téve egy karotinoid antenna lehetőségét, amely a xanthorhodopsinok fémjelzi . A szalinixantin (a salinibacter ruber domináns karotinoidja) megkötésével kapcsolatos maradékanyagok közül meglepően nagy számú konzervált (10 azonos a 12-ből legalább egy rodopszin szekvenciában) (további fájl 1: Ábra S8D), ami arra utal, hogy a karotinoid antenna lehet kötve, így legalább néhány ilyen szekvenciák bonafide xanthorhodopsins.

még a cl500-11 és a TK10 képviselői is, amelyek elsősorban a hypolimnionban találhatók a rétegződés során, képesek fototrófiára; azonban potenciálisan hozzáférhetnek a fotikus zónához télen és kora tavasszal mixis. A rodopszin alapú fotoheterotrófián kívül a Kloroflexia osztály mag-jait is megkaptuk, amelyek kódolják a II.típusú fotorendszer reakcióközpontjának l és M fehérjéit (pufL és pufM), bakterioklorofillt és karotinoid bioszintézist. A pufM génszekvenciák más Kloroflexi-rokon pufM-szekvenciákkal együtt csoportosulnak (1.kiegészítő fájl: S9 ábra). A 3-hidroxi–propionát útvonalon vagy a Calvin-Benson cikluson keresztül történő szénrögzítésre azonban semmilyen fotorendszer mag-t hordozó MAG-ban nem találtak bizonyítékot, ami a MAG hiányosságának következménye lehet. Az is lehet, hogy ezek aerob anoxigén fototrófok, amelyek nem rögzítik a szenet, például édesvízi Gemmatimonadetes és Acidobaktériumok (mindkettő aerob) .

a nyílt tengeri klór-Flexi evolúciós története

a filogenomikai elemzésekből kitűnik, hogy a chloroflexi törzs képviselőinek gyűjteménye, valamint az izolátumokból és mag-kből származó meglévő genomszekvenciák csak részleges vázlatot nyújtanak a törzs összetett evolúciós történetéről. Például a leginkább eltérő ágak ” ca. Limnocylindria “(SL56 klaszter)és ” ca. Umbricyclopia ” (TK10 klaszter) gyakorlatilag nincs közeli rokona, kivéve egy víztartó üledék MAG (kapcsolódó “kb. Limnocylindria”). A kapcsolódó 16S rRNS klónokat azonban mindkét csoport esetében kinyerték a talajból/üledékekből, ami a nyílt tengeri életmódra való áttérésre utal (1.kiegészítő fájl: S1B ábra).

a kapcsolódó tengeri 16S rRNS szekvenciák hiányának Faktorozása ezekre a csoportokra, amellett, hogy a tengeri metagenomikus adatkészletekben nem észlelhetők, a talajból/üledékből, nem pedig a sós környezetből származik. Bár a tengeri eredet lehetősége formálisan nem zárható ki, a talajról/üledékről az édesvízoszlopokra való átmenet iránya tűnik a legvalószínűbbnek. Ráadásul, tekintettel arra, hogy ” ca. Limnocylindria ” és ” ca. Umbricyclopia “divergálnak előtt divergencia osztályok Dehalococcoidea és tengeri SAR202 (osztály” ca. Monstramaria”), amelyek az egyetlen ökológiailag releváns tengeri Kloroflexi, amely még ismert (az előbbi a tengeri üledékekben, az utóbbi a mély óceáni vízoszlopban), valószínű, hogy az ősi Kloroflexi a talaj/üledék élőhelyéből származik. A tengeri SAR202 sikere a mély óceánokban figyelemre méltó; ez a legszélesebb körben elterjedt, talán számszerűen a legelterjedtebb Kloroflexi csoport a bolygón. Néhány 16S rRNS szekvenciát azonban legközelebbi rokonaitól, Dehalococcoidea, édesvízi üledékekből is kinyertek, annak ellenére, hogy úgy tűnik, hogy a túlnyomó többség mély tengeri üledékekből származik (mindkettő anoxikus élőhelyek).