Verteilung in heißen Quellen und Überlebensmechanismen des thermophilen Comammox Nitrospira

The ISME Journal Band 17, Seiten 993–1003 (2023)Diesen Artikel zitieren

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Die jüngste Entdeckung von Nitrospira-Arten, die in nicht-marinen natürlichen und künstlich angelegten Ökosystemen unter mesothermen Bedingungen zur vollständigen Ammoniakoxidation (Comammox) fähig sind, hat unser Verständnis der mikrobiellen Nitrifikation verändert. Allerdings ist wenig über das Vorkommen von Comammox-Bakterien oder ihre Überlebensfähigkeit in mäßig thermischen und/oder hyperthermischen Lebensräumen bekannt. Hier berichten wir über die weite Verbreitung von Comammox Nitrospira in fünf terrestrischen heißen Quellen bei Temperaturen zwischen 36 und 80 °C und stellen Metagenom-assemblierte Genome von 11 neuen Comammox-Stämmen bereit. Interessanterweise legt die Identifizierung der dissimilatorischen Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA) in thermophilen Comammox-Nitrospira-Linien nahe, dass sie im Gegensatz zu den beschriebenen mesophilen Comammox-Linien, denen der DNRA-Weg fehlt, vielseitige ökologische Funktionen als Senke und Quelle von Ammoniak haben. Darüber hinaus bestätigte die In-situ-Expression von Schlüsselgenen im Zusammenhang mit dem Stickstoffstoffwechsel, der thermischen Anpassung und dem oxidativen Stress ihre Überlebensfähigkeit in den untersuchten heißen Quellen und ihren Beitrag zur Nitrifikation in diesen Umgebungen. Darüber hinaus verleihen die kleinere Genomgröße und der höhere GC-Gehalt, weniger polare und stärker geladene Aminosäuren in Nutzungsprofilen sowie die Expression einer großen Anzahl von Hitzeschockproteinen im Vergleich zu mesophilen Comammox-Stämmen vermutlich Toleranz gegenüber thermischem Stress. Diese neuen Erkenntnisse über das Vorkommen, die Stoffwechselaktivität und die Anpassung von Comammox Nitrospira in thermischen Lebensräumen erweitern unser Verständnis der globalen Verbreitung von Comammox Nitrospira und haben erhebliche Auswirkungen darauf, wie diese einzigartigen Mikroorganismen Strategien zur thermischen Toleranz entwickelt haben.

Im letzten Jahrhundert ging man davon aus, dass die chemolithoautotrophe Nitrifikation ein zweistufiger Prozess sei, der von einem Konsortium von Mikroorganismen durchgeführt werde. Dieses Paradigma wurde jedoch durch die bahnbrechende Entdeckung einzelner Organismen, die Ammoniak zu Nitrat oxidieren können, radikal verändert [1, 2]. Diese chemolithoautotrophen, vollständig Ammoniak oxidierenden (Comammox) Bakterien gehören zur Unterlinie II der tief verzweigten Gattung Nitrospira, von der früher angenommen wurde, dass sie nur Nitritoxidation durchführt [3]. Während Versuche unternommen wurden, Comammox Nitrospira vollständig zu charakterisieren, wurden derzeit nur ein isolierter Stamm und eine begrenzte Anzahl von Anreicherungskulturen erhalten [4,5,6,7]. Die kinetische Charakterisierung zweier dieser Comammox-Nitrospira-Kulturen lässt darauf schließen, dass sie eine hohe Affinität zu Ammoniak haben und sich bevorzugt in oligotrophen Umgebungen aufhalten [4, 5]. Daher begünstigen Ökosysteme mit begrenztem Nährstofffluss das Vorkommen von Comammox Nitrospira, das sogar gegenüber kanonischen Ammoniakoxidationsmitteln (z. B. Ammoniak-oxidierenden Bakterien (AOB)) dominieren kann. Allerdings deuten Feldstudien darauf hin, dass auch andere Faktoren als die Verfügbarkeit von Ammoniak eine Rolle bei der Nischendifferenzierung von Ammoniakoxidationsmittel spielen werden [8, 9].

Die ökologische Bedeutung von Comammox Nitrospira ist nur teilweise entschlüsselt, obwohl festgestellt wurde, dass sie in nicht-marinen natürlichen und künstlich angelegten Ökosystemen weit verbreitet sind. Zu den Umgebungen, in denen sie nachgewiesen wurden, gehören Böden, natürliche Süßwasserlandschaften, Abwasseraufbereitungsanlagen sowie Trinkwasserproduktions- und -verteilungssysteme [10,11,12,13,14,15,16,17,18]. Bis auf den ersten und bisher einzigen isolierten Comammox-Stamm Nitrospira inopinata, der ursprünglich aus einer Heißwasserleitung (56 °C) entnommen und unter mäßig thermischen Bedingungen bei 46 bis 50 °C kultiviert wurde [1, 4], waren alle anderen Studien mit mesothermen Bedingungen verbunden. Dies wirft die Frage auf, welche Rolle Comammox Nitrospira im Stickstoffkreislauf in thermischen und hyperthermischen Lebensräumen spielt.

Geothermische Lebensräume wie Unterwasser-Hydrothermalquellen und terrestrische heiße Quellen beherbergen eine Vielzahl chemolithoautotropher Mikroorganismen, möglicherweise seit der Entstehung des zellulären Lebens [19,20,21]. Untersuchungen von Mikrobengemeinschaften in heißen Quellen lassen sich bis ins 19. Jahrhundert zurückverfolgen [22], während das Verständnis ihrer Diversität und Stoffwechselkapazität in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund der Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie erheblich verbessert wurde. Eine Verbindung in heißen Quellen, die von besonderem Interesse ist, ist Ammonium, die wichtigste stickstoffhaltige Verbindung, die in geothermischen Lebensräumen beobachtet wird [23]. Infolgedessen wurden thermophile aerobe Ammoniak-oxidierende Archaeen (AOA) häufig in thermischen Ökosystemen gefunden [24,25,26,27]. Darüber hinaus wurden in geothermischen heißen Quellen nitritoxidierende Bakterien (NOB) der Gattung Nitrospira oder des Stammes Chloroflexi identifiziert [28,29,30]. Das Potenzial für Mitglieder der Gattung Nitrospira, einschließlich der Comammox-Art N. inopinata, thermisch induzierten Stress zu tolerieren, deutet darauf hin, dass sich auch Comammox Nitrospira in Hochtemperaturökosystemen vermehren kann, für natürliche geothermische Quellen wurde jedoch bisher kein solcher Bericht vorgelegt. Dies wirft die Frage auf, wie weit verbreitet thermophile Comammox-Nitrospira sind, welche Strategien diese Arten anwenden, um sich vor Hitzestress zu schützen, und ob es genomische Unterschiede zwischen Comammox-Nitrospira in thermischen und nicht-thermischen Lebensräumen gibt.

Hier berichten wir über das Vorkommen und die Aktivität von Comammox Nitrospira in terrestrischen Thermalquellen-Ökosystemen, untersuchen ihre möglichen Überlebensmechanismen unter (hyper)thermischen Bedingungen und vergleichen genomische Merkmale von Comammox Nitrospira, die aus thermischen und nicht-thermischen Lebensräumen gewonnen wurden. Diese neuen Erkenntnisse über das Vorkommen, die Aktivität und die Anpassung von Comammox Nitrospira in thermischen Lebensräumen erweitern unser Verständnis der globalen Verbreitung dieser einzigartigen Mikroorganismen und liefern wichtige Einblicke in mikrobielle Abwehrstrategien gegen Hitzestress.

Insgesamt wurden 10 Biomasseproben für die DNA-Extraktion aus den Oberflächensedimenten (~obere 5 cm) der fünf heißen Quellen JinZe (JZ), ShuiReBaoZha (SRBZ) und ShiZiTouDuiMian (SZTDM) im Kreis Tengchong in der Provinz Yunnan sowie DaGeJia gesammelt (DGJ) und QuZhuoMu (QZM) in der Nähe der Stadt Rikaze in Tibet, China. Alle Proben heißer Quellen liegen in Höhen von ≥ 4000 m über dem Meeresspiegel. Zum Zeitpunkt der Probenahme wiesen diese heißen Quellen ein breites Spektrum physikalisch-chemischer Parameter auf, wobei die Temperaturen und der pH-Wert zwischen 36,7 und 80,0 °C bzw. 3,0 und 8,2 lagen. Probenorte, Probenahmedaten und physikalisch-chemische Parameter sind in der Ergänzungstabelle S1 zusammengefasst. Die detaillierten Methoden zur Probenentnahme, chemischen Analyse, DNA-Extraktion und metagenomischen Sequenzierung werden in einer früheren Studie beschrieben [31].

Rohe metagenomische Messwerte wurden mit einem Hiseq 4000-Instrument (Illumina, USA) generiert und qualitativ hochwertige Messwerte wurden gemäß den zuvor beschriebenen Verfahren erhalten (32). Gefilterte Lesevorgänge wurden anschließend mit SPAdes v3.10.1 [33] mit den folgenden Optionen zusammengestellt: −k 21,33,55,77,99,111 –meta. Contigs mit einer Länge > 2500 bp wurden für das Genom-Binning basierend auf der Tetranukleotidhäufigkeit und der Sequenzierungstiefe unter Verwendung von MetaBAT v2.12.1 einbezogen [34]. Um die Sequenzierungstiefe zu berechnen, wurden gefilterte Lesevorgänge mit BBMap v38.85 und einer minimalen Identitätseinstellung von 0,97 zusammengestellten Contigs zugeordnet. Der Befehl „jgi_summarize_bam_contig_ Depths“ in MetaBAT wurde ausgeführt, um die Sequenzierungstiefentabelle zu generieren. Genomische Behälter wurden mithilfe von Emergent Self-Organizing Maps (ESOM) visualisiert (35). Vollständigkeit, Kontamination und Stammheterogenität jedes metagenomassemblierten Genoms (MAG) wurden mit CheckM v1.0.5 geschätzt (36). Um Kontamination und Heterogenität zu reduzieren, wurden alle MAGs weiter manuell untersucht, um Contigs mit abnormaler Abdeckung oder nicht übereinstimmenden Positionen innerhalb des ESOM zu entfernen. Schließlich wurden saubere Lesevorgänge jedes MAG mit BBMap rekrutiert und mit SPAdes v3.9.0 mit den Parametern: −k 21,33,55,77,99,127 – vorsichtig zusammengesetzt.

Die taxonomische Zuordnung der erhaltenen MAGs wurde mit GTDB-tk v1.7.0 durchgeführt [37]. Die paarweise durchschnittliche Aminosäureidentität (AAI) zwischen MAGs und ausgewählten Referenzgenomen wurde wie zuvor beschrieben berechnet (38). Die relative Häufigkeit der gefundenen MAGs wurde anhand von Abdeckungsinformationen berechnet, indem die Summe der Abdeckungen für alle Contigs, die zu dem jeweiligen MAG gehören, durch die Summe der Abdeckungen für alle Contigs dividiert und mit 100 multipliziert wurde. Um die relative Häufigkeit von Comammox Nitrospira mit anderen Populationen zu vergleichen B. AOB-, AOA- und Anammox-Bakterien, MAGs mit dem Besitz eines der folgenden Gene berücksichtigt: Ammoniakmonooxygenase (amoCAB), Hydroxylamindehydrogenase (hao), NO-bildende Nitritreduktase (nirS oder nirK), Hydrazinsynthase (hzs), Hydrazindehydrogenase (hdh) und Nitritoxidoreduktase (nxrAB).

Proteinkodierungssequenzen (CDS) wurden mit Prodigal v2.6.3 vorhergesagt [39]. Die funktionelle Annotation und die Rekonstruktion des Stoffwechselwegs wurden durch Durchsuchen des vorhergesagten CDS anhand von Datenbanken durchgeführt, darunter NCBI Non-Redundant (nr), evolutionäre Genealogie von Genen: Non-supervised Orthologous Groups (eggNOG), Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) und Carbohydrate -Aktive Enzyme (CAZy) unter Verwendung von DIAMOND v0.7.9 mit einem E-Wert-Grenzwert von < 1e−5 [40]. Mutmaßliche Hydrogenasen, die zu PF00374 und PF02906 gehören, wurden durch Suche in der Pfam-Datenbank mit dem Befehl „hmmscan“ in HMMer v3.3.2 identifiziert (41). Die Aminosäuresequenzen mutmaßlicher Hydrogenasen wurden auf das Webtool HydDB (https://services.birc.au.dk/hyddb/) hochgeladen, um die Subtypklassifizierung zu bestimmen und mögliche Funktionen vorherzusagen. Der Aminosäureverbrauch und der IVYWREL-Index für jedes MAG wurden mithilfe maßgeschneiderter Perl-Skripte berechnet (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22220173). Transmembranhelices in Proteinen wurden mit dem Online-Tool TMHMM-2.0 (https://services.healthtech.dtu.dk/service.php?TMHMM-2.0) vorhergesagt. Der isoelektrische Punkt (pI) jedes Proteins wurde mit dem Online-Tool IPC v2.0 (http://isoelectric.org/index.html) berechnet.

Um die phylogenomischen Beziehungen des Thermalquellen-Comammox Nitrospira zu verstehen, wurde ein Satz von 120 konservierten Markergenen aus 131 repräsentativen Nitrospira-Genomen aus der NCBI Refseq-Datenbank (Supplementary Dataset 1) abgerufen. Die extrahierten Sequenzen wurden mit MUSCLE v3.8.31 abgeglichen [42] und schlecht ausgerichtete Regionen wurden mit TrimAl v1.4.rev22 entfernt [43]. Der phylogenomische Baum wurde mit IQ-TREE v1.6.10 [44] mit ultraschnellem Bootstrapping (-bb 1000) sowie einem Shimodaira-Hasegawa-ähnlichen Approximations-Likelihood-Ratio-Test (SH-aLRT, -alrt 1000) erstellt. Das beste Modell des Baums war LG + F + R6, wie von ModelFinder [45] ermittelt, und wurde vom Bayes'schen Informationskriterium gut unterstützt.

Für funktionelle Proteine (AmoCAB, NxrAB und die verschiedenen Hydrogenasetypen) wurden Aminosäuresequenzen abgeglichen und gefiltert. Phylogenien wurden mit den gleichen Verfahren wie oben beschrieben erstellt. Die besten Modelle für die AmoCAB-, NxrAB- und Hydrogenase-basierten Phylogenien (basierend auf den großen Untereinheiten) waren LG + F + R4, LG + F + G4 bzw. LG + R9. Diese Modelle wurden alle durch das Bayes'sche Informationskriterium gut unterstützt. Die generierten Maximum-Likelihood-Bäume wurden mit iTOL v6 (https://itol.embl.de) visualisiert.

Die In-situ-Stoffwechselaktivität von Comammox Nitrospira in heißen Quellen wurde mithilfe metatranskriptomischer Sequenzierung untersucht, um zu bestimmen, welche ihrer Gene aktiv exprimiert wurden. Aufgrund der Schwierigkeiten, RNA in ausreichender Qualität aus diesen extremen thermischen Umgebungen zu konservieren, konnte RNA im Juli 2022 nur aus einer Probe von QiaoQuan (QQ) und im Januar 2021 aus zwei Proben von JinZe (JZ-2 und JZ-4) erfolgreich extrahiert werden ( Ergänzungstabelle S1). Die Gesamt-RNA wurde mit dem RNeasy PowerSoil Total RNA-Kit (QIAGEN) extrahiert und 20–30 Gbit/s Rohsequenzdaten wurden mit einem HiSeq 4000-Gerät bei Guangdong Magigene Biotechnology Co., Ltd. (Guangzhou, China) generiert. Rohdaten wurden mit Sickle v1.33 (https://github.com/najoshi/sickle) mit den Parametern -t sanger –quiet -l 50 qualitätskontrolliert. Sieben der 11 Hot Spring Comammox MAGs wurden entsprechend manuell als Referenzgenome ausgewählt zu AAI ≥ 95 % auf der Ebene des gesamten Genoms (Ergänzungstabelle S2). Saubere Lesevorgänge wurden mithilfe von BBMap v35.85 mit denselben Parametern wie oben auf Referenzgenome abgebildet. Die gegenseitigen Konvertierungen zwischen den Dateiformaten.bam und.bed wurden mit SAMTools v1.3.1 [46] und BEDTools v2.30.0 [47] durchgeführt. Die Genexpressionsniveaus in Fragmenten pro Kilobase Transkript pro Million kartierter Fragmente (FPKM) wurden mit Cufflinks v2.2.1 [48] für jede Probe berechnet.

Zehn Metagenome wurden aus Sedimentproben erzeugt, die aus fünf heißen Quellen in Tengchong (Provinz Yunnan) und Angren (Autonome Region Tibet), China, entnommen wurden (Ergänzungstabelle S1). Die Temperaturen an den Probenahmestellen lagen zwischen 36,7 und 80,0 °C, während der pH-Wert zwischen 3,0 und 8,2 schwankte. Die Ammoniumkonzentrationen in den untersuchten Sedimenten lagen meist unter 10 mg N/kg (0,7 mmol/kg), mit Ausnahme der Probe aus der heißen Quelle ShiZiTouDuiMian (16,3 mg N/kg, 1,2 mmol/kg).

Insgesamt 11 Comammox Nitrospira MAGs wurden erfolgreich rekonstruiert (Tabelle 1 und Ergänzungstabelle S2). Konkret wurden vier Comammox-Nitrospira-MAGs an zwei verschiedenen Standorten in der heißen Quelle von JinZe (JZ-3 und JZ-4 genannt), zwei von DaGeJia (DGJ01_4 und DGJ02_3), zwei von ShuiReBaoZha (SRBZ-2) und zwei von QuZhuoMu (QZM_B4_2) zusammengebaut und QZM_B4_3) und eines von ShiZiTouDuiMian (SZTDM-2). Diese 11 hochwertigen Comammox Nitrospira MAGs haben eine Größe von 2,46 bis 2,95 Mbp mit Vollständigkeitsschätzungen > 88 % und Kontaminationswerten < 3 % (Tabelle 1). Für die Komammox-Nitrospira DGJ01_4_Bin137 und DGJ02_3_Bin65 waren diese MAGs einander sehr ähnlich (99,8 % AAI), stammten jedoch aus heißen Quellen mit unterschiedlichen Umgebungen hinsichtlich pH-Wert und Temperaturparametern (Ergänzungstabelle S1). Die Genexpressionsmuster für DGJ02_3_Bin65 in drei Proben mit einem pH-Wert von 6,8 bis 8,6 und einer Temperatur von 27 bis 70 °C (siehe unten) zeigten, dass diese beiden Stämme in neutralen bis leicht alkalischen Umgebungen in einem breiten Temperaturbereich aktiv waren. Ob sie auch unter sauren Bedingungen überleben können, bleibt unklar und konnte nur durch kultivierte Experimente überprüft werden.

In diesen Thermalquellenumgebungen stellten Comammox-Nitrospira-MAGs in acht von zehn Proben die dominierenden Ammoniak-oxidierenden Organismen dar (0,01 bis 1,28 % relative Häufigkeit im Vergleich zu allen in Metagenomen nachgewiesenen Bakterien und Archaeen), mit Ausnahme der Proben JZ-4_201709 (38,0 °). C) und SZTDM-2_201709 (54,0 °C), bei denen AOB und AOA jeweils eine höhere relative Häufigkeit aufwiesen (Abb. 1a). Darüber hinaus wurde NOB in sieben Proben mit relativen Häufigkeiten von 0,24–0,96 % gefunden. Die phylogenomische Analyse ergab, dass die 11 Comammox-MAGs zwei Unterklassen innerhalb der Comammox-Nitrospira-Gruppe A bildeten (Abb. 1b), wobei acht MAGs in einem Cluster mit N. inopinata waren und die restlichen drei eine benachbarte Schwesterlinie bildeten. Diese Clusterbildung mit N. inopinata zeigte, dass alle derzeit bekannten thermophilen Stämme innerhalb der Gruppe A comammox Nitrospira eng miteinander verwandt sind. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die thermische Toleranz von Hot Spring Comammox Nitrospira wahrscheinlich von ihrem letzten gemeinsamen Vorfahren innerhalb der Gruppe A geerbt wurde, der die thermische Toleranz nach dem Umzug in thermische Lebensräume erlangte. Allerdings kann man die Existenz anderer thermophiler Comammox-Stämme, die von diesem Cluster abweichen, nicht ausschließen.

a Abgeleitete relative Häufigkeit von Comammox Nitrospira und AOB MAGs in analysierten heißen Quellen. b Phylogenomische Zugehörigkeit von Comammox Nitrospira MAGs in Bezug auf ausgewählte Referenzorganismen. Der Maximum-Likelihood-Baum wurde unter Verwendung von 120 Markerproteinen aus insgesamt 142 Genomen erstellt (siehe Methoden). Als Außengruppe wurden Genome von Thermotogae verwendet. Die Nitrospira-Linien I und II werden durch blaue bzw. violette Kästchen hervorgehoben. Die Zahlen in Klammern bei reduzierten Abstammungslinien geben die Anzahl der Genome/MAGs pro Gruppe an. Comammox Nitrospira-Klade A und Klade B sind durch grüne bzw. gelbe Hintergründe gekennzeichnet. Die in der vorliegenden Studie erhaltenen Identifikatoren der Comammox-Nitrospira-MAGs sind rot dargestellt. Bootstrap-Werte (basierend auf 1000 Iterationen) ≥70 und ≥90 werden durch graue bzw. schwarze Kreise angezeigt. Genomgröße und GC-Gehalt jedes Nitrospira-Genoms sind auf der linken Seite angegeben, wobei die MAGs aus dieser Studie durch ausgefüllte Balken angegeben sind. Die Quelllebensräume der Genome/MAGs sind auf der rechten Seite des Baums zusammengefasst: DWTP, Trinkwasseraufbereitungsanlage; Kläranlage, Kläranlage; RAS, Kreislauf-Aquakultursystem.

In Übereinstimmung mit ihrer phylogenetischen Position innerhalb der Comammox-Nitrospira-Gruppe A und der Bestätigung eines Lebensstils vom Comammox-Typ wurde festgestellt, dass die 11 MAGs der heißen Quellen Gene der Ammoniakmonooxygenase (amoCAB), der Hydroxylamin-Dehydrogenase (hao) und der Nitrit-Oxidoreduktase (nxrAB) enthalten für die vollständige Oxidation von Ammoniak zu Nitrat erforderlich (Abb. 2). AmoCAB und nxrAB in jedem MAG lokalisierten sich gemeinsam auf zusammenhängenden Gerüsten und bildeten in phylogenetischen Analysen monophyletische Kladen mit N. inopinata (ergänzende Abbildung S1). Auch wenn man die durch unvollständige MAGs gegebene Einschränkung anerkennt, gibt es in fast allen Nitrospira-MAGs von Hot Spring Comammox mit Ausnahme von JZ-3_Bin7 ein bemerkenswertes Fehlen von Ammoniaktransportern (Rh50 und amt), trotz ihrer vermutlichen Abhängigkeit von Ammoniak für Assimilationsprozesse. Auch wenn Harnstoff noch nicht entdeckt wurde, ist er ein allgemeiner intrazellulärer Metabolit von Prokaryoten und Eukaryoten und wird auch bei der Remineralisierung organischer Materie freigesetzt [49]. In allen 11 heißen Quell-Comammox-Nitrospira-MAGs (Abb. 2, ergänzende Abb. S2) wurde ein vollständiges Komplement an Genen für die Harnstoffverwertung beobachtet (1, 4, 6), und das aus der intrazellulären Harnstoffhydrolyse erzeugte Ammoniak kann möglicherweise das Wachstum von unterstützen Hot Spring Comammox Nitrospira in Umgebungen mit begrenztem Ammoniumgehalt. Analog zu anderen gemeldeten Comammox-Genomen fehlt auch den Thermalquellen-Comammox Nitrospira eine assimilatorische Nitritreduktase, was darauf hindeutet, dass sie nicht in der Lage sind, auf Nitrit oder Nitrat als einziger Stickstoffquelle zu wachsen.

Gezeigt werden Wege und Gene, die am Stoffwechsel von Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel sowie an Atmung, Elektronentransport und Stressabwehr beteiligt sind. Stoffwechselmodule werden durch unterschiedliche Farbschemata angezeigt. Das Vorhandensein von Stoffwechseltypen in 11 MAGs von Hot Spring Comammox Nitrospira aus dieser Studie wird wie folgt angezeigt: Dunkelblaue ausgefüllte Kreise stellen alle 11 MAGs dar; Hellblaue durchgezogene Kreise stehen für 5 bis 10 MAGs; Hellblaue Hohlkreise stehen für 1 bis 4 MAGs; und graue durchgezogene Kreise stehen für 0 MAGs. Das mit den gezeigten Pfaden verbundene Nummerierungsschema ist im Ergänzungsdatensatz 2 angegeben. Atmungskettenkomplexe sind mit römischen Ziffern gekennzeichnet. Abkürzungen: 2-Oxo-2-Oxo-glutarat, APS-Adenosin-5′-phosphosulfat, Arg-Arginin, Car-P-Carbamoyl-P, Cit-Citrat, Citr-Citrullin, Cys-Cystein, EhrL-Energieumwandlungs-Hydrogenase-bezogene große Untereinheit, Fumfumarat, HydG [NiFe]-Gruppe 3b-Hydrogenasen, Isoisocitrat, L-Arg L-Arginosuccinat, langkettige LCFA-Fettsäuren, Malmalat, Ornithin, Oxa-Oxalacetat, PAPS 3′-Phosphoadenosin 5′-Phosphosulfat, PHA-Polyhydroxyalkanoat, Pit anorganisch Phosphattransporter, Poly-P-Polyphosphat, Pst-Phosphattransporter, rTCA-Zyklus, reduktiver Tricarbonsäurezyklus, kleines Hitzeschockprotein sHSP, SOD-Superoxiddismutase, Suc-Succinat, Suc-CoA-Succinyl-CoA.

Im Vergleich zum mesophilen Comammox Nitrospira scheint die Pentahäm-Cytochrom-c-Nitritreduktase (nrfAH) ausschließlich in MAGs von Comammox aus heißen Quellen (Abb. 2 und Ergänzungsdatensatz 2) und dem mäßig thermophilen N. inopinata vorhanden zu sein (1). Dies deutet auf das Potenzial thermophiler Comammox-Organismen hin, eine dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA) durchzuführen und dabei das potenziell reversible NXR für die anfängliche Reduktion von Nitrat zu Nitrit zu nutzen. Dieses einzigartige Merkmal von Comammox-Genomen, die aus Umgebungen mit hohen Temperaturen gewonnen wurden, weist auf eine mögliche Rolle von DNRA bei ihrem Überleben hin, wie bereits für andere thermophile Bakterien und Archaeen vermutet [50, 51]. Insbesondere bietet die Fähigkeit zur Durchführung von DNRA einen alternativen Mechanismus für Comammox Nitrospira, um unter anoxischen Bedingungen Energie zu sparen, was es ihnen möglicherweise ermöglicht, auch in anoxischen Umgebungen zu überleben. Alternativ könnte die Verwendung von DNRA zur Produktion von Ammoniak eine Strategie für das Überleben von Comammox Nitrospira aus heißen Quellen mit Nitrit als einziger Stickstoffquelle [1] und damit unter den in heißen Quellen beobachteten ammoniumbegrenzten Bedingungen sein. Selbst dann wäre jedoch ein Elektronendonor mit niedrigem Potential für die Chinonreduktion erforderlich, um den DNRA-Prozess einzuleiten und Elektronen für Biosyntheseprozesse, einschließlich der CO2-Fixierung, bereitzustellen. In diesen unberührten heißen Quellen könnten organische Metaboliten (von anderen Organismen freigesetzt) oder H2 (ein potenzielles Produkt der geochemischen Reduktion von H2O bei hohen Temperaturen und der Biomassefermentation bei mäßig thermischen Bedingungen) potenzielle Elektronendonatoren für DNRA sein. Dies wird durch das Vorhandensein wichtiger Stoffwechselgene in den Nitrospira-MAGs der heißen Quelle Comammox gestützt, die möglicherweise mit diesen Prozessen verbunden sind, d. h. fadD, crt und acd für den Abbau langkettiger Fettsäuren und die Gruppe 3b [NiFe]-Hydrogenase könnte die H2-Oxidation erleichtern (Abb. 2 und ergänzender Datensatz 2). Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Comammox Nitrospira aus heißen Quellen vielseitige ökologische Funktionen sowohl als Ammoniak-Senke als auch als Ammoniak-Quelle haben.

In Hochtemperaturumgebungen stellen Stoffwechselstrategien, die H2 nutzen oder produzieren, einen wesentlichen Ansatz zur Energieeinsparung durch chemolithoautotrophe Mikroorganismen dar [23, 52]. Die bidirektionalen [NiFe]-Hydrogenasen der Gruppe 3b und akzessorische Proteine für die Hydrogenase-Reifung, die in kanonischen NOB- und Comammox-Nitrospira [1, 53, 54] weit verbreitet sind, wurden auch in fast allen Comammox-Nitrospira aus heißen Quellen beobachtet (Abb. 3a, b). . Wie in einem hyperthermophilen Archäon (Pyrococcus furiosus) beobachtet [55], könnten die [NiFe]-Hydrogenasen der Gruppe 3b auch am Schwefelkreislauf beteiligt sein, einem weiteren Schlüsselelement, das häufig in terrestrischen heißen Quellen vorkommt. Trotz dieser mutmaßlichen Rolle wurde die echte Funktion der [NiFe]-Hydrogenasen der Gruppe 3b in Nitrospira bisher nicht charakterisiert. Darüber hinaus beobachteten wir auch das Vorhandensein energieumwandelnder Hydrogenase-bezogener Komplexe (Ehr) in sieben hier vorgestellten Nitrospira-MAGs von Comammox aus heißen Quellen (Abb. 3c und ergänzende Abb. S3), die phylogenetisch der Gruppe 4 f [NiFe] nahe kommen. Hydrogenasen, aber es fehlen die typischen CxxC-Motive, die für die Bindung des [NiFe]-Zentrums erforderlich sind. Daher ist es unwahrscheinlich, dass diese Ehr-Komplexe als [NiFe]-Hydrogenasen fungieren und ihre Funktion bleibt unbekannt. Interessant ist jedoch ihre Ähnlichkeit mit Untereinheiten des respiratorischen Komplexes I und der energieumwandelnden Hydrogenasen (Ech), die am Elektronentransport und der Energietransduktion beteiligt sind [56].

a Der Maximum-Likelihood-Baum zeigt die phylogenetische Zugehörigkeit von Hydrogenasen und Ehr-Komplexen, die in Comammox Nitrospira in Bezug auf 305 Referenzsequenzen identifiziert wurden. Der Baum ist nach Hydrogenase-Untergruppe farblich gekennzeichnet. Die roten Sterne stellen Hydrogenasen und Ehr-Komplexe aus der heißen Quelle Comammox Nitrospira dar. Die Maximum-Likelihood-Bäume zeigen die phylogenetische Zugehörigkeit der b-Gruppe-3-[NiFe]-Hydrogenasen und c-Gruppe-4-[NiFe]-Hydrogenasen und Ehr-Komplexe, die in Comammox Nitrospira und Referenzhydrogenasen identifiziert wurden. Bootstrap-Werte (basierend auf 1000 Iterationen) ≥ 70 und ≥ 90 werden durch graue bzw. schwarze Kreise angezeigt.

Die In-situ-Aktivität von Hot Spring Comammox Nitrospira wurde durch metatranskriptomische Sequenzierung bestätigt (Abb. 4). Um Verzerrungen bei der Schätzung der Genexpressionsniveaus sehr ähnlicher MAGs zu vermeiden, haben wir sieben der elf Comammox-MAGs aus heißen Quellen manuell als Referenzgenome ausgewählt, basierend auf einem AAI ≥ 95 % und der Genomqualität (Ergänzungstabelle S2). Bei dieser Analyse wurden Transkriptionsaktivitäten von 976 von 19.142 (5,1 %) kodierten Genen in diesen sieben MAGs nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass diese Organismen in den drei gemessenen Thermalquellenproben eine aktive Rolle spielen.

Die Farbintensität stellt die relative Häufigkeit der Genexpression dar, gemessen mit FPKM (Abschnitt „Methoden“). Die weißen Kästchen zeigen an, dass die Genexpression nicht nachweisbar ist.

Der Nitrifikationsweg wurde zumindest teilweise in allen sieben Comammox-Referenz-MAGs der heißen Quelle in allen drei Metatranskriptomen exprimiert (Abb. 4). Beispielsweise exprimierten in JZ-2, JZ-4 und QQ die MAGs JZ-4_Bin17, QZM-B4_2_Bin429 bzw. SRBZ-2_Bin320 die gesamte Suite von Genen im Zusammenhang mit der Nitrifikation, einschließlich amoCAB, hao und nxrAB. Darüber hinaus war die Expression nitrifikationsbezogener Gene für den Großteil der Transkripte verantwortlich, die den Nitrospira-MAGs der heißen Quelle Comammox zugeordnet wurden. Die Expression von Genen, die mit der Nitrifikation assoziiert sind, machte 4,4 % bzw. 4,0 % der Comammox-Transkripte für SBRZ-2_Bin320 in Probe QQ und JZ-4_Bin17 in Probe JZ-2 aus (ergänzende Abbildung S4). Dies weist darauf hin, dass die Nitrifikation ein Schlüsselprozess war, der in den untersuchten heißen Quellen durch Comammox Nitrospira katalysiert wurde. Darüber hinaus wurden in mindestens einem Hot Spring Comammox Nitrospira MAG niedrige Expressionsniveaus anderer Stickstoffstoffwechselwege beobachtet. Zu diesen Genen gehörten NO-bildende Nitritreduktase (nirK), Pentahäm-Cytochrom-c-Nitritreduktase (nrfA) und Harnstofftransporter (urtABC). Dies deutet darauf hin, dass das Thermalquellen-Comammox Nitrospira an weiteren Stickstoffkreislaufprozessen wie der Nitritreduktion zu Stickoxid, DNRA und der Harnstoffverwertung beteiligt sein kann.

Darüber hinaus wurde die Expression des vollständigen Nitrifikationswegs nicht bei allen Comammox-MAGs konsistent beobachtet. Beispielsweise exprimierte DGJ02_3_Bin65 nxrAB in allen drei Proben, während keine hao- oder amoCAB-Transkripte nachgewiesen wurden, und amoC schien das einzige von QZM_B4_3_Bin89 transkribierte nitrifikationsbezogene Gene zu sein. Dieser Mangel an Nitrifikationsgenexpression bei einigen Comammox-Stämmen könnte auf eine eingeschränkte Stoffwechselaktivität dieser Organismen unter extremen Bedingungen in heißen Quellen zurückzuführen sein. Ähnlich wie bei unseren Beobachtungen wurde auch in einer früheren Studie (57) eine teilweise Expression nitrifikationsbezogener Gene in Comammox Nitrospira beobachtet, in der die Transkripte von amoCAB und nxrAB bei verschiedenen Comammox-Arten inkonsistent nachgewiesen wurden.

Die Transkription von Genen, die mit der thermischen Anpassung verbunden sind, bestätigte auch die Aktivität von Hot Spring Comammox Nitrospira und gab Aufschluss über ihre möglichen Überlebensmechanismen. Hitzeschockproteine (HSPs) werden von Zellen als Reaktion auf äußeren Stress exprimiert. Sie tragen zur Entfernung und Neufaltung beschädigter Proteine, zum Proteinaufbau, zur Sekretion und zur Regulierung von Transkriptionsfaktoren bei und können auch eine schützende Rolle für andere Proteine spielen, indem sie temperaturabhängige Komplexe bilden [58]. Wie erwartet wurde eine Vielzahl von Chaperonen von allen sieben ausgewählten Comammox-Nitrospira-MAGs aus heißen Quellen kodiert und transkribiert (Abb. 4 und ergänzender Datensatz 2). Beispielsweise wurde das Gen für das hochkonservierte Chaperonprotein DnaK, das an der Proteinfaltung beteiligt ist und die Aggregation sich entfaltender Proteine unter Stress verhindert [59], von fast allen Nitrospira-MAGs von Hot Spring Comammox exprimiert. In SRBZ2-Bin320 wurden mehrere Kopien kleiner HSPs (HSP20) nachgewiesen und zeigten hohe Expressionsniveaus im metatranskriptomischen Datensatz aus der Proben-QQ (ergänzende Abbildung S4). Chaperonine der GroEL-GroES- und caseinolytischen Protease (Clp)-Familien wurden auch von Hot Spring Comammox Nitrospira in hohem Maße transkribiert. GroEL-GroES-Chaperonine können Proteine einkapseln und falten, während Mitglieder der Clp-Familie die Disaggregation und den Abbau verzerrter Proteine regulieren können und auch in der Lage sind, DnaK zu orchestrieren, um fehlgefaltete Proteine neu zu falten [60]. Darüber hinaus wurden der Nukleotidaustauschfaktor (GrpE), ATP-abhängige Hitzeschock-Locus-Gene (HslVU) und mehrere Gene, die mit der Abwehr von oxidativem Stress assoziiert sind, stark exprimiert, was darauf hindeutet, dass Comammox Nitrospira verschiedene Mechanismen zur Abschwächung von thermischem Stress übernimmt.

Die Anpassung der Aminosäurezusammensetzung von Proteinen ist eine wichtige Anpassungsstrategie von Mikroorganismen zur Überwindung von thermischem Stress [61, 62]. In Übereinstimmung mit dieser Hypothese ergab der Vergleich der Aminosäurezusammensetzungen von 30 Comammox-Nitrospira-MAGs der Klasse A (Ergänzungstext S1), dass aus thermischen und nicht-thermischen Lebensräumen gewonnene Comammox-Nitrospira unterschiedliche Aminosäureverwendungsmuster entwickelt haben (Ergänzungsabbildung S5). Insbesondere verwenden thermophile Comammox Nitrospira mehr unpolare und geladene Aminosäuren auf Kosten polarer Aminosäuren (p < 0,01). Dieses Phänomen kann auf die chemischen Eigenschaften verschiedener Aminosäuren zurückgeführt werden: Starke ionische Bindungen zwischen entgegengesetzt geladenen Aminosäureresten erhöhen die Stabilität eines Proteins, während polare Aminosäuren (z. B. Asn und Gln) im Allgemeinen zu einer Verringerung der Proteinstabilität führen zur thermischen Desamidierung [63, 64]. Das spezifische Aminosäurenutzungsmuster des thermophilen Comammox Nitrospira steht im Einklang mit einem früheren Vergleich zwischen der Aminosäurezusammensetzung von 60 thermophilen Proteinen und ihren mesophilen Homologen [65] sowie allgemeinen Beobachtungen zur Proteinzusammensetzung in anderen Thermophilen [64, 66]. . Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass thermophile Phänotypen von Comammox Nitrospira anhand ihrer vorhergesagten Aminosäurezusammensetzung, die aus genomischen Materialien abgeleitet wird, identifiziert werden können. Folglich haben wir einen typischen, auf der Aminosäurezusammensetzung basierenden Index, den IVYWREL-Index [67], weiter getestet, um thermophile Comammox-Nitrospira von nicht-thermophilen Mitgliedern zu unterscheiden. Wie erwartet war der IVYWREL-Index für thermophile und mesophile Comammox-Nitrospira (ergänzende Abbildung S6) signifikant unterschiedlich (p <0, 01), was einen weiteren Beweis für Unterschiede in der Zusammensetzung basierend auf ihren Aminosäureverwendungsprofilen liefert. Insbesondere der IVYWREL-Index von Nitrospira sp. ST-BIN4, Nitrospira sp. SG-bin2, Nitrospira sp. UBA2082 und Nitrospira sp. Für UBA6909, das aus nicht-thermischen Habitaten gewonnen wurde, aber phylogenetisch der thermischen Comammox-Nitrospira ähnelt (Abb. 1), wurde ein Wert von 40,0–40,3 ermittelt, der damit ebenfalls deutlich niedriger ist als der der thermischen Comammox-Nitrospira (p < 0,01). Dies stützt nachdrücklich die Hypothese, dass die beobachteten einzigartigen Aminosäureprofile tatsächlich auf den thermophilen Phänotyp und nicht auf eine phylogenetische Zugehörigkeit zurückzuführen sind.

Zusätzlich zu den Veränderungen in der Aminosäurenutzung verglichen wir auch die genomischen Eigenschaften von 30 MAGs von Comammox Nitrospira der Klasse A (Ergänzungstext S1) und beobachteten mehrere bemerkenswerte Unterschiede zwischen thermischen und nicht-thermischen Comammox Nitrospira der Klasse A, die Aufschluss über eine mögliche Anpassung geben könnten Strategien in Hochtemperaturumgebungen. Insbesondere haben die thermophilen Comammox-Nitrospira-MAGs eine deutlich kleinere Genomgröße (2,46–3,30 Mbp) als die mesophile Clade-A-Comammox-Nitrospira-MAGs (2,93–4,55 Mbp; p <0,05) (Abb. 5a). Dies ist nicht überraschend, da die Reduzierung der Genomgröße durch den geringeren Energiebedarf für die Nukleotidsynthese als vorteilhaft für die mikrobielle Hitzetoleranz angesehen wird [68]. Beispielsweise haben Sabath et al. [68] verglichen mehr als 1000 Prokaryotengenome und beobachteten signifikante Unterschiede in der Genomgröße zwischen Mesophilen, Thermophilen und Hyperthermophilen, und Sorensen et al. [69] berichteten über eine signifikante und negative Korrelation zwischen der durchschnittlichen Genomgröße und der Standorttemperatur in 12 Metagenomen, die aus von Bränden betroffenen Böden gewonnen wurden. Dementsprechend wurde hier für die 30 Clade-A-Comammox-Nitrospira-Genome eine starke Korrelation zwischen der Genomgröße und der vorhergesagten optimalen Wachstumstemperatur (OGT, siehe Details im Ergänzungstext S1) beobachtet (Ergänzende Abbildung S7).

Die statistische Analyse wurde mit dem Wilcoxon-Rangsummentest durchgeführt. eine Genomgröße; b GC-Gehalt; c vorhergesagte optimale Wachstumstemperatur (OGT); d-Genzahl; e durchschnittliche Genlänge; f Kodierungsdichte.

Ein weiteres wichtiges genomisches Merkmal ist der GC-Gehalt. Da in verschiedenen Studien widersprüchliche Ergebnisse beobachtet wurden [67, 70, 71], ist der Zusammenhang zwischen dem GC-Gehalt und der mikrobiellen Toleranz gegenüber Hitzestress immer noch unklar. Hier stellten wir fest, dass der GC-Gehalt in thermophilen Comammox-Nitrospira-MAGs signifikant höher war als in nicht-thermischen Comammox-Nitrospira-Magen der Klasse A (55,48–59,31 % gegenüber 54,67–57,89 %; p <0,05) (Abb. 5b). Wie erwartet war die OGT auch für die aus thermischen Lebensräumen stammenden Genome signifikant höher (Abb. 5c, p <0, 05). Darüber hinaus deuten die beobachtete verringerte Genzahl, die erhöhte durchschnittliche Genlänge und die erhöhte Kodierungsdichte (Abb. 5d-f) darauf hin, dass entbehrliche und wenig stabile Proteine möglicherweise bevorzugt aus den Genomen dieser thermophilen Comammox Nitrospira verloren gegangen sind [72]. Darüber hinaus besitzen thermophile Comammox-Nitrospira im Allgemeinen weniger Gene, die für Transporter und bakterielle Sekretionssysteme kodieren, im Vergleich zu nicht-thermischen Comammox-Nitrospira der Klasse A (ergänzende Abbildung S8). Diese Beobachtung steht im Einklang mit der Hypothese, dass die Reduzierung der funktionalen Komplexität wahrscheinlich ein kostenminimierender und energiesparender Mechanismus für Thermophile ist, um sich an erhöhte Temperaturen anzupassen [73]. Insgesamt deuten die beobachteten genomischen Merkmale des thermophilen Comammox Nitrospira darauf hin, dass diese Organismen gut an das Überleben in Hochtemperatur-Ökosystemen angepasst sind.

Die Entdeckung und Charakterisierung von Comammox Nitrospira hat unser Verständnis des mikrobiell vermittelten Stickstoffkreislaufs erheblich verändert, da sie ein Jahrhundert angesammeltes Wissen auf den Kopf stellte, indem sie zeigte, dass die vollständige Nitrifikation von einem einzelnen und nicht von mehreren Mikroorganismen gemeinsam durchgeführt werden kann. Hier berichten wir über den Nachweis von Comammox Nitrospira in Umgebungen mit heißen Quellen bei Temperaturen bis zu 80 °C und über ihre Transkriptionsaktivitäten bei Temperaturen bis zu 70 °C. Während zahlreiche Anstrengungen unternommen wurden, um die allgegenwärtige Existenz von Comammox Nitrospira in verschiedenen Umweltumgebungen nachzuweisen [12, 13, 53], fügt die vorliegende Studie ein Schlüsselelement zur Erforschung des biogeochemischen Stickstoffkreislaufs in Hochtemperaturumgebungen hinzu.

Im Vergleich zu vom Menschen beeinflussten (z. B. kontaminierten, gedüngten oder künstlich angelegten) Böden und Wassersystemen waren die Ammoniumkonzentrationen in den untersuchten heißen Quellen viel niedriger. Dies könnte theoretisch die Dominanz von Comammox Nitrospira gegenüber den anderen Ammoniak oxidierenden Gilden in acht von zehn Proben erklären, da sie wahrscheinlich gut an stickstofflimitierte Bedingungen angepasst sind [4, 5]. Darüber hinaus zeigte der Vergleich der genomischen Eigenschaften relativ kleinere Genomgrößen von Comammox-Bakterien aus heißen Quellen, was im Allgemeinen eine kleinere Zellgröße widerspiegelt [74, 75] und tendenziell vorteilhaft für die Optimierung des Oberflächen-Volumen-Verhältnisses für die optimale Aufnahme geringer Mengen ist -Überfluss an Nährstoffen [76,77,78]. Die begrenzte Verfügbarkeit von Ammoniak ist jedoch möglicherweise nicht der einzige Faktor, der ihr Auftreten begünstigt, da festgestellt wurde, dass Comammox Nitrospira in vielen Bodensystemen, in denen die Ammoniumkonzentration zwischen 0,1 und 20 mg kg-1 Boden schwankte, gegenüber anderen Ammoniakoxidationsmitteln dominiert [79,80,81]. ,82]. Andere Umweltfaktoren wie pH-Wert, Sauerstoffgehalt, Temperatur und Salzgehalt tragen wahrscheinlich ebenfalls zur Nischendifferenzierung zwischen Ammoniakoxidationsmitteln bei [79, 81], und ihre unterschiedlichen Reaktionen auf diese Faktoren werden häufig zur Erklärung ihres gleichzeitigen Auftretens oder zum Vergleich herangezogen Interspezies-Wettbewerbsfähigkeit verschiedener Ammoniak-oxidierender Gilden. Temperatur und pH-Wert beeinflussen direkt die Kinetik von Ammoniak-Oxidationsmitteln [78, 83, 84], und eine aktuelle Studie zeigte, dass die Ammoniak-Affinitätskonstanten von N. inopinata und der AOA „Candidatus Nitrosocosmicus oleophilus MY3“ um das 3–4-fache anstiegen, wenn der pH-Wert anstieg von ~6,5 auf ~8,5 erhöht [78].

Wir haben auch die aus SRBZ-2_Bin320 abgerufenen 16S-rRNA- und amoA-Gensequenzen anhand der öffentlichen Datenbank durchsucht und sehr ähnliche Sequenzen in anderen thermischen Lebensräumen in Russland, Indien, Argentinien und Australien gefunden (Ergänzungstext S2 und Datensatz 3), was auf eine potenziell breite Verbreitung schließen lässt Verbreitung von Comammox Nitrospira in thermischen Lebensräumen. Es ist zu beachten, dass es sich bei diesen erkannten Stämmen, die anhand kurzer Sequenzen identifiziert wurden, lediglich um potenzielle Comammox-Bakterien handelt. Zukünftige Studien, einschließlich Kultivierungsbemühungen in Kombination mit metagenomischen, metatranskriptomischen und metaproteomischen Analysen, sind erforderlich, um ihre Rolle bei der Ammoniakoxidation in diesen Systemen zu bestätigen.

Insgesamt bestätigt diese Studie die häufige Verbreitung und Transkriptionsaktivität von Comammox Nitrospira in Hochtemperatur-Ökosystemen und hebt deren Beiträge zur Stickstoffumwandlung darin hervor. Durch den Vergleich thermischer und nicht-thermischer Comammox-Bakterien liefern die Ergebnisse Einblicke in mögliche Anpassungsstrategien, die Thermalquellen-Comammox-Bakterien gegen Hitzestress einsetzen, einschließlich angepasster Aminosäurenutzungsprofile, veränderter genomischer Merkmale und der Expression einer großen Anzahl von HSPs. Diese Studie ist auch von besonderer Bedeutung, da terrestrische heiße Quellen eine wichtige Nische darstellen, die eine Vielzahl chemolithoautotropher Extremophiler beherbergt, und das Verständnis der mikrobiellen Stickstoffumwandlungen darin aus ökologischer Sicht äußerst relevant ist [19,20,21]. Während die Beiträge von AOB und AOA zum Stickstoffkreislauf in heißen Quellen bereits dokumentiert wurden [24,25,26,27, 29, 85], schließen die vorliegenden Ergebnisse eine wichtige Wissenslücke, indem sie Beweise für das Vorkommen und die Aktivitäten von Comammox-Bakterien liefern in den untersuchten heißen Quellen.

Während die hier vorgelegten In-situ-Transkriptomdaten erstmals die Aktivität von Comammox Nitrospira in heißen Quellen bestätigen, sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Ergebnisse weiter zu validieren. Sobald Anreicherungskulturen dieser Comammox-Organismen verfügbar sind, können gezielte physiologische Experimente direktere Beweise für ihre Aktivitäten, thermischen Anpassungen und weitere ökophysiologische Eigenschaften liefern. Derzeit fehlen für die meisten von uns analysierten heißen Quellen Umweltdaten, beispielsweise die Konzentrationen von H2, organischen Verbindungen, Harnstoff und gelöstem Sauerstoff. Solche Informationen werden benötigt, um besser zu verstehen, wie thermophile Nitrifizierer, einschließlich Comammox-Bakterien, mit extremen Bedingungen zurechtkommen und ihren Stoffwechsel in einer variablen Umgebung regulieren.

Die in dieser Studie verwendeten Genom-Bins wurden im Rahmen des Projekts PRJNA851927 beim NCBI hinterlegt.

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (52100174, 32170014, 91951205), der Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2019A1515111024) und dem Discovery Project des Australian Research Council (ARC) (DP230101340) finanziell unterstützt. TL ist Empfänger eines ARC DECRA Fellowship (DE220101310). PE ist Empfänger eines ARC Future Fellowship (FT210100812). SL wird von der Niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung (Zuschuss 016.Vidi.189.050), HD vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF; Zuschuss P30570-B29) und von der Comammox-Forschungsplattform der Universität Wien unterstützt.

Open-Access-Finanzierung ermöglicht und organisiert von CAUL und seinen Mitgliedsinstitutionen.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Yan Zhang, Tao Liu und Meng-Meng Li.

Fakultät für Umwelt- und Chemieingenieurwesen, Universität Foshan, Foshan, China

Yan Zhang

Australisches Zentrum für Wasser- und Umweltbiotechnologie, Fakultät für Ingenieurwesen, Architektur und Informationstechnologie, University of Queensland, St. Lucia, Queensland, Australien

Tao Liu, Min Zheng und Jianhua Guo

Staatliches Schlüssellabor für Biokontrolle, Guangdong Provincial Key Laboratory of Plant Resources and Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), School of Life Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou, China

Meng-Meng Li, Yanni Qu, Sha Tan, Jian-Yu Jiao und Wen-Jun Li

Abteilung für Umweltwissenschaften und -technik, Universität für Wissenschaft und Technologie von China, Hefei, China

Zheng-Shuang Hua

Das Australian Centre for Ecogenomics, School of Chemistry and Molecular Biosciences, University of Queensland, St. Lucia, Queensland, Australien

Paul Evans

Fakultät für Umweltwissenschaften und -technik, Sun Yat-sen-Universität, Guangzhou, 510275, China

Hui Lu

Abteilung für Mikrobiologie, RIBES, Radboud-Universität, Heyendaalseweg 135, 6525 AJ, Nijmegen, Niederlande

Sebastian Lücker

Abteilung für Mikrobielle Ökologie, Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaften, Universität Wien, Djerassiplatz 1, 1030, Wien, Österreich

Holger Daims

Die Comammox-Forschungsplattform, Universität Wien, Djerassiplatz 1, 1030, Wien, Österreich

Holger Daims

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JG, WL und ZH haben die Studie konzipiert. YZ, ZH, ML und TL führten das Metagenom, das Metatranskriptom und die Datenanalyse mit Unterstützung von YQ, ST, HL, JJ, SL und HDTL durch und YZ verfasste das Manuskript mit Beiträgen aller Autoren. PE, SL, HD und MZ unterstützten die Überarbeitung des Manuskripts.

Korrespondenz mit Zheng-Shuang Hua, Wen-Jun Li oder Jianhua Guo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, Y., Liu, T., Li, MM. et al. Verteilung in heißen Quellen und Überlebensmechanismen des thermophilen Comammox Nitrospira. ISME J 17, 993–1003 (2023). https://doi.org/10.1038/s41396-023-01409-w

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Eingegangen: 03. August 2022

Überarbeitet: 29. März 2023

Angenommen: 31. März 2023

Veröffentlicht: 17. April 2023

Ausgabedatum: Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41396-023-01409-w

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