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2021 Microbiome 基因组适应性使酸性硫杆菌Acidithiobacillus分布在广泛的温泉温度和pH值中

已有 446 次阅读 2023-6-4 09:48 |系统分类:科研笔记

原文链接:Genomic adaptations enabling Acidithiobacillus distribution across wide-ranging hot spring temperatures and pHs | Microbiome | Full Text (biomedcentral.com)

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摘要

背景介绍

陆地温泉环境跨越了一个广泛的物理化学范围。物理化学参数,如pH值和温度,是影响不同地热区微生物组成差异的关键因素。然而,对新西兰陶波火山区(TVZ)温泉池的分析表明,细菌属的一些成员,酸性硫杆菌Acidithiobacillus,在广泛的温泉pH值和温度范围内普遍存在。为了确定居住在这种多样化条件下Acidithiobacillus的基因组属性,我们组装了来自六个地热区的19个未培养的温泉Acidithiobacillus菌株的基因组,并将其与来自不同栖息地的37个公开的Acidithiobacillus基因组进行比较。

结果

对138个样品的16S rRNA基因扩增子的分析表明,酸性硫杆菌平均占温泉原核生物群落的11.4±16.8%,三种Acidithiobacillus扩增子序列变体(ASVs)(TVZ_G1,TVZ_G2,TVZ_G3)占Acidithiobacillus相对丰度的90%以上。在温度(17.5-92.9℃)和pH值(1.0-7.5)范围内的138个样品中,有126个样品出现。我们恢复了属于这三个ASVs的19个环境基因组,以及第四个相关组(TVZ_G4)。根据基因组的平均核苷酸相同性,这四个组(TVZ_G1-TVZ_G4)由不同的物种(ANI<96.5%)构成,其中三个是新的Acidithiobacillus物种(TVZ_G2-TVZ_G4),一个属于Acidithiobacillus caldus(TVZ_G1)。所有四个TVZ酸性硫杆菌组都是在温度高于该属以前已知极限的温泉中发现的(最多40 °C以上),这可能是由于其脯氨酸和GC含量明显高于其他Acidithiobacillus物种,而这是已知的增加热稳定性。结果还表明,与温泉相关的Acidithiobacillus经历了基因组的精简,可能是由于热适应。此外,我们的数据表明,Acidithiobacillus在不同的温泉pH值中的流行是由不同的策略支持的,其中TVZ_G2-TVZ_G4主要通过Na/H反输送器和质子流出ATP酶来调节pH值平衡,而TVZ_G1主要依靠氨基酸脱羧酶。

结论

这项研究提供了关于Acidithiobacillus物种在不同的温泉物理化学中的分布情况,并确定了可能使Acidithiobacillus物种在地热环境中广泛的温度和pH值中定殖的基因组特征和适应性。


Fig. 1

图1 图中显示了在TVZ温泉区的微生物群落中观察到的Acidithiobacillus ASVs的比例。

a 原核生物群落的总相对丰度(%),是在TVZ六个地热区收集的所有样品的总和。

b Boxplots显示每个样品中Acidithiobacillus与其他原核生物的总相对丰度。请注意,有12个样品没有Acidithiobacillus(左侧方框图中显示为0%,右侧方框图中显示为100%)。


表1 研究的地热环境的地点、pH值和温度范围以及水的化学性质,包括收集的样品类型和研究的数据类型

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WGS = 全基因组测序,16S = 16S rRNA基因扩增子测序



Fig. 2

图2 散点图显示四个TVZ温泉Acidithiobacillus ASVs的相对丰度和流行率与回收的a A. caldus TVZ_G1; b Acidithiobacillus sp. TVZ_G2; c Acidithiobacillus sp. TVZ_G3 和 d Acidithiobacillus TVZ_G4的基因组对应。气泡大小代表每个样品中每种ASV的相对丰度。气泡的数量代表每种酸性硫杆菌ASV的流行程度。



Fig. 3

图3 图中显示了TVZAcidithiobacillus和其他Acidithiobacillus的物理化学范围。

图中给出了a温度(黑条表示由GrowthPred计算的最佳生长温度)和b pH值的范围。显示的亚气泉华的范围是来自相应的温泉水,掌状泉华就是从那里形成的。所有TVZ物种的温度和pH值范围都来自于它们被发现的温泉,而其他酸硫杆菌的温度和pH值范围则来自于生长实验的特征。


Fig. 4

图4 一个最大似然性 串联的核心基因系统发育树,具有TVZ和其他Acidithiobacillus物种的100次自举。

粗体字表示每个种(TVZ_G2-4)或亚种(TVZ_G1)级别聚类的代表MAG。另一科的Thermithiobacillus tepidarius和另一纲的Acidiferrobacter thiooxydans被作为外群使用。



Fig. 5

图5 TVZ和其他Acidithiobacillus物种的散点图。

a GC含量(%)和最佳生长温度(℃)之间的正相关(R = 0.75,p = 3.0 × 10-11); 

b 预测的脯氨酸含量(%)和最佳生长温度(℃)之间的正相关(R = 0.92,p < 2.2 × 10-16); 

c 同源蛋白和编码序列(CDS)百分比之间的正相关(R = 0.63,p = 1.7 × 10-7)。

d GC含量(%)和估计基因组大小(Mbp)之间的负相关(R = - 0.51,p = 7.0 × 10-5); 

e 预测的脯氨酸含量(%)和估计基因组大小(Mbp)之间的负相关(R = - 0.81,p = 3.4 × 10-14); 

f 最佳生长温度(℃)和估计基因组大小(Mbp)之间的负相关(R = - 0.86, p < 2.2 × 10-16)。

g 显示最小代时(小时)和估计基因组大小(Mbp)之间的正相关,参考A. caldus和Taiwanese Acidithiobacillus (UBA2486)为离群值(R = 0.36,p = 0.008)。

h 显示非编码RNA的数量与最佳生长温度(℃)之间的负相关(R = - 0.45, p = 0.00044)。

i 显示非编码RNA的百分比和估计的基因组大小(Mbp)之间的正相关(R = 0.24,p = 0.08)。

最佳生长温度由GrowthPred计算得出。在所有图中,与TVZ_G2最近的(共同聚类)未分类的Acidithiobacillus物种(黑色边框-圆圈)是Acidithiobacillus sp. UBA2486。皮尔逊相关系数和t分布表分别用于确定相关系数和显著性,如方法中所述


Fig. 6

图6 热图显示TVZ和其他Acidithiobacillus 物种中与pH值平衡相关的蛋白质数量。

粗体字表示TVZ Acidithiobacillus 物种的代表性基因组。所分析的基因的登录号可以在表S7中找到




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