Nesso tra filogenesi e funzione dei fissatori di azoto recentemente scoperti nei metagenomi oceanici di superficie. (a) Analisi filogenomica di 432 genomi di proteobatteri e 43 genomi di planctomiceti che Delmont e colleghi hanno caratterizzato (compresi i nove fissatori di N non fotosintetici) utilizzando una raccolta di 37 famiglie di geni marcatori filogenetici. Gli strati che circondano l'albero filogenomico indicano la dimensione del genoma e la tassonomia di ciascun genoma a livello di phylum e classe. (b) Rete funzionale dei nove fissatori di N non fotosintetici basata su un totale di 5, 912 funzioni geniche identificate. La dimensione e il colore dei nodi genomici rappresentano il numero di funzioni rilevate e la tassonomia genomica, rispettivamente. Il colore dei nodi funzionali indica la loro presenza nei diversi genomi. Credito:Delmont et al (2018) Microbiologia della natura , doi:10.1038/s41564-018-0176-9
Spostati, cianobatteri! Uno studio su larga scala della superficie dell'oceano terrestre indica che i microbi responsabili della fissazione dell'azoto lì - precedentemente ritenuti quasi esclusivamente cianobatteri fotosintetici - includono una suite abbondante e ampiamente distribuita di popolazioni batteriche non fotosintetiche.
Lo studio internazionale, pubblicato questa settimana in Microbiologia della natura , è stato guidato da A. Murat Eren (Meren) dell'Università di Chicago e del Marine Biological Laboratory (MBL), buco del bosco, e Tom O. Delmont dell'Università di Chicago.
La fissazione dell'azoto è un processo ecologico critico in cui l'azoto atmosferico viene convertito in ammoniaca, rendere l'azoto "biodisponibile" agli organismi viventi da utilizzare come elemento costitutivo fondamentale del DNA, RNA e proteine.
"I microbi che possono fissare l'azoto o il carbonio sono al centro dell'ecologia delle comunità microbiche in molti ambienti, compreso l'oceano di superficie, "dice Delmont. "Prima del nostro studio, si pensava che i microbi marini responsabili della fissazione del carbonio fossero anche in gran parte responsabili della fissazione dell'azoto. Non è così semplice".
"La capacità dei microbi di fissare l'azoto è vitale per tutta la vita, "dice David Mark Welch, Direttore della ricerca MBL. "Questo studio amplia la nostra comprensione della diversità biologica della fissazione dell'azoto fornendo la prima prova genomica che i batteri non fotosintetici sulla superficie dell'oceano possono effettuare queste reazioni".
Usando anvi'o, uno stato dell'arte, piattaforma bioinformatica open source per analizzare i metagenomi (il pool di sequenze di DNA che rappresentano tutti gli organismi microbici presenti in un ambiente), il team ha rivelato approfondimenti su microbi marini precedentemente sconosciuti con capacità di fissazione dell'azoto associati a Proteobacteria e Planctomycetes, un phylum batterico prevalente che non è mai stato collegato alla fissazione dell'azoto prima.
Queste popolazioni microbiche appena descritte si trovano ampiamente e sono particolarmente abbondanti nell'Oceano Pacifico, dove hanno una media stimata di 700, 000 cellule per litro di acqua di mare e fino a 3 milioni di cellule per litro:ordini di grandezza in più rispetto alle stime precedenti per i fissatori di azoto non cianobatterici in mare aperto.
Utilizzando i dati generati dalla spedizione Tara Oceans dal 2009 al 2013, Delmont e colleghi hanno ricostruito circa 1, 000 genomi microbici da oltre 30 miliardi di brevi sequenze metagenomiche. Di questi 1, 000 genomi, nove contenevano i sei geni necessari per la fissazione dell'azoto, eppure mancava dei geni necessari per la fotosintesi. Questo è il primo database genomico di microrganismi non fotosintetici che abitano l'oceano aperto e in grado di fissare l'azoto.
A. Murat Eren (Meren) e Tom Delmont lavorano con i dati di Tara Oceans presso l'Università di Chicago nel 2017. Credito:Fran Jackson
Poiché il team ha ricostruito e utilizzato genomi quasi completi per la loro indagine (piuttosto che utilizzare un singolo gene marcatore per la fissazione dell'azoto), potrebbero risolvere le affiliazioni tassonomiche di queste popolazioni che fissano l'azoto. Potrebbero anche studiare la loro abbondanza e i modelli di distribuzione negli oceani e nei mari da cui provengono i campioni (l'Atlantico, Pacifico, Indiano e oceani meridionali, Mediterraneo e Mar Rosso).
"Ora possiamo usare questi genomi di popolazione per guidare la coltivazione in laboratorio di Planctomiceti e Proteobatteri che fissano l'azoto dall'oceano aperto, " dice Delmont. "Questo ci aiuterà a capire le condizioni in cui fissano l'azoto, la complessità dei loro stili di vita funzionali, e altri aspetti della loro ecologia che non possiamo comprendere semplicemente guardando i loro genomi, geni e funzioni dedotte."
Meren e Delmont hanno iniziato questa ricerca presso il Marine Biological Laboratory nel 2015 con il supporto di un Lillie Innovation Award dell'Università di Chicago. Meren e il suo gruppo continuano a sviluppare anvi'o, la piattaforma software open source utilizzata in questo e in altri studi che studiano l'ecologia e l'evoluzione dei microbi attraverso complessi dati di sequenziamento ambientale.
"I metagenomi ambientali ci danno un accesso puro alla complessità delle popolazioni microbiche naturali, " dice Meren. "Mentre la nostra capacità di comprenderli è alla mercé delle nostre tecnologie molecolari e degli strumenti computazionali, è piacevole vedere entrambi avanzare rapidamente, e c'è ancora tanto da scoprire. Non vediamo l'ora di vedere progressi da banco a sostegno di queste intuizioni iniziali sulle popolazioni ambientali che probabilmente contribuiscono a uno dei processi biochimici più essenziali che fanno funzionare il nostro pianeta".
"Questo studio è un altro esempio di come la risoluzione dei genomi direttamente dal DNA di intere comunità microbiche stia trasformando la nostra comprensione della diversità microbica, ", afferma il coautore Christopher Quince dell'Università di Warwick, Regno Unito.
