メタノ栄養性 ANME の進化的多様化

Nature Microbiology volume 8、pages 231–245 (2023)この記事を引用

6323 アクセス

3 引用

46 オルトメトリック

メトリクスの詳細

「Candidatus Methanophagales」（ANME-1）は、深海の堆積物における嫌気性メタン酸化を担う古細菌の目レベルのクレードです。 ANME-1 の多様性、生態、進化はまだよくわかっていません。 この研究では、深海の熱水サンプルにメタゲノミクスを使用して、ANME-1 の多様性を拡大し、ウイルスと宿主の動態の影響を明らかにします。 系統解析により、短鎖アルカン酸化剤と密接に関連する、深く分岐した好熱性の科「Candidatus Methanospirareceae」が明らかになりました。 全体的な系統発生とほぼ完全なゲノムは、ANME-1 内の水素代謝が垂直に受け継がれたが、系統の多様化の際に示差的に失われた古代の形質であることを示しています。 メタゲノミクスはまた、これまでのところANME-1古細菌のみを標的とする16の未記載のウイルスファミリーを明らかにし、独特の構造的および複製的特徴を示した。 広大な ANME-1 バイロームには、ウイルスを介した遺伝子置換を通じて宿主の生態や進化に影響を与える可能性がある代謝遺伝子レパートリーが含まれています。 私たちの結果は、嫌気性メタンと短鎖アルカン酸化剤の間の進化の連続性を示唆し、メタン駆動の生態系の動態と進化に対するウイルスの影響を強調しています。

嫌気性メタン栄養古細菌 (ANME) は、メタンの嫌気性酸化 (AOM) の能力を独立して進化させた多系統の古細菌系統です。このプロセスは、深海の堆積物中で世界中で生成されるメタンの 80% 以上を除去すると推定されています1。メタン生成経路を逆転させる2. ANME-2およびANME-3系統は現在のメタノサルシナ目のメタン生成菌と共通の祖先を共有していますが、ANME-1古細菌は独自の目「Candidatus Methanophagales」を形成し、非メタンアルカン分解菌「Candidatus Syntrophorarchaeales」の姉妹です。 」および「Candidatus Alkanophagales」3． ANME-1 は、他の ANME と共有することが多い冷温帯の深海の生息地を超えて成長することができ、熱水環境内の高温で独自に繁栄します 2,4,5。 海洋堆積物では、ANME は主に種間の直接電子伝達を介して硫酸塩還元細菌 6 と共栄養会合を形成します 7,8。 しかし、一部の ANME-1 は、単細胞として、またはパートナー細菌のない単一特異性共同体として観察されており 5,9,10,11、水素栄養栄養性メタン生成を行うことが提案されている 10,11,12 が、これまでの生理学的実験ではこの仮説を裏付けることができていない 13。 、14． 全体として、短鎖アルカン類縁体や他の ANME 系統からの ANME-1 の生理学的および生態学的多様化にどのような要因が寄与しているのかは、依然としてほとんど不明です。

メタンが豊富な多くの生態系では ANME 古細菌が優勢であるにもかかわらず、ANME 系統を標的とするウイルスはほとんど調査されていません 15、16、17。 ウイルスは、その複製と溶解サイクルを通じて宿主の細胞資源を利用し流出させることにより、多様な微生物系における生態動態と栄養循環において主要な役割を果たしています18。 深海の生態系では、ウイルス溶解により古細菌が年間死亡し、世界中で最大約 0.3 ～ 0.5 ギガトンの炭素が放出されると推定されています 19。 したがって、ANME のウイルスの分布と機能を特徴付けることは、ANME の生理機能を深海のメタン駆動生態系における元素およびエネルギーの流れと定量的に結び付け、ANME の進化の推進力を理解するための最も重要な課題の 1 つです。

この研究では、メキシコのカリフォルニア湾にある南ペスカデロ盆地の熱水噴出孔システム20からの天然および実験室で培養された鉱物サンプルから、ANME-1の13のメタゲノム構築ゲノム（MAG）を回収しました（補足表1および2）。 これらのサンプルは、ANME-1a クレード、特に ANME-1 G60 グループ内の既知の多様性を拡張しただけでなく、5 つの MAG と、系統発生的に基部に位置するこれまで特徴づけられていなかった深分岐クレードの 1.6 Mb 環状ゲノム足場も含んでいた。 ANME-1 の順序 (図 1、拡張データ図 1、補足表 2 および 3)。 私たちはこの科レベルのクレードを「Candidatus Methanospirareceae」、または ANME-1c と名付けました。 その基本的な位置を考慮すると、非メタンアルカン分解生物であるアルカノファガレス目およびシントロフォアーキアレス目の姉妹目に系統発生的に最も近い ANME-1 です21。