Nature Microbiology volume 8, pagine 727–744 (2023) Citare questo articolo
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Il phylum batterico candidato Omnitrophota non è stato isolato ed è poco conosciuto. Abbiamo analizzato 72 genomi di Omnitrophota appena sequenziati e 349 esistenti che rappresentano 6 classi e 276 specie, insieme ai dati del progetto Earth Microbiome per valutare habitat, tratti metabolici e stili di vita. Abbiamo applicato lo smistamento cellulare attivato dalla fluorescenza e la filtrazione per dimensione differenziale e abbiamo dimostrato che la maggior parte degli Omnitrophota sono cellule ultra piccole (~ 0,2 μm) che si trovano nell'acqua, nei sedimenti e nel suolo. I genomi di Omnitrophota in 6 classi sono ridotti, ma mantengono importanti percorsi biosintetici e di conservazione dell'energia, inclusa l'acetogenesi (con o senza il percorso Wood-Ljungdahl) e diverse respirazioni. Almeno il 64% dei genomi di Omnitrophota codificano cluster di geni tipici dei simbionti batterici, suggerendo stili di vita associati all'ospite. Abbiamo riproposto i dati quantitativi di sondaggio degli isotopi stabili provenienti da suoli dominati da andesite, basalto o agenti atmosferici del granito e identificato 3 famiglie con elevato assorbimento di isotopi coerenti con predatori batterici obbligati. Proponiamo che la maggior parte degli Omnitrophota vivano in vari ecosistemi come predatori o parassiti.
Il phylum batterico candidato Omnitrophota (sinonimi: OP3, Omnitrophya, Omnitrophyaeota; qui formalmente denominato Omnitrophota) è stato identificato nelle indagini sul gene dell'RNA ribosomiale 16S1,2, in particolare nell'acqua e nei sedimenti. Studi pubblicati basati sul gene 2,3 dell'rRNA 16S e sul metagenoma 2,4 hanno collocato Omnitrophota nel superphylum Planctomycetota-Verrucomicrobiota-Chlamydiota (PVC). Gli Omnitrophota non sono stati isolati e solo due specie sono state osservate al microscopio. 'Candidatus Omnitrophus magneticus' SKK-01 (rif. 5) è stato descritto come un grande batterio magnetico ovoidale presumibilmente a vita libera contenente inclusioni di zolfo (di seguito denominato SKK-01). 'Circa. Il LiM6 di Velamenicoccus archaeovorus è stato identificato come un piccolo cocco (0,2-0,3 μm) presente in colture di arricchimento metanogeniche che degradano il limonene sia come cellule libere che come epibionte di altri batteri o archaea, incluso Methanosaeta6. Quando vive come epibionte, V. archaeovorus ha un output trascrizionale diverso, aumenta il contenuto di ribosomi e sembra danneggiare o uccidere le cellule ospiti6. Dati i diversi stili di vita di SKK-01 e V. archaeovorus LiM, non è chiaro se uno dei due sia un rappresentante significativo per il phylum.
Precedenti rapporti hanno proposto che le capacità metaboliche dei genomi a amplificazione singola (SAG) di Omnitrophota e dei genomi assemblati con metagenoma (MAG) includano la respirazione aerobica eterotrofa o l'acetogenesi4,5,6,7,8. La genomica comparativa di 14 MAG di Omnitrophota provenienti da un lago antartico e di un singolo MAG dai sedimenti del Mar Nero ha suggerito che tutti fossero fermentatori obbligati7,9. Finora, tuttavia, è mancato uno sforzo sistematico per interpretare i dati genomici nel contesto del phylum Omnitrophota.
Qui analizziamo un compendio di SAG (75) e MAG (346), insieme alle dimensioni cellulari e agli studi sul metabolismo in situ per presentare un quadro più completo della biologia di Omnitrophota.
I genomi (421) classificati come Omnitrophota sono stati raccolti dai nostri nuovi dati (72 genomi) e dai dati esistenti (349 genomi), inclusi 75 SAG e 346 MAG (Fig. 1 e Tabella supplementare 1). I genomi hanno avuto origine da campioni di biomi ambientali, tra cui acqua di lago o fiume (111), acque sotterranee (97), sedimenti geotermici (64), terreni sfusi (59), acque reflue (37) e sedimenti marini o altrimenti salini (30).
a, stime della dimensione del genoma per genomi di Omnitrophota completi al ≥90%. b, Completezza del genoma e statistiche di rilevamento del gene rRNA 16S di tutti i genomi di Omnitrophota inclusi in questa analisi. I colori rappresentano le classi. In aeb, i boxplot rappresentano gli intervalli interquartili, le barre orizzontali/verticali sono le medie e le barre verticali/orizzontali rappresentano gli intervalli di confidenza al 95%. c, filogenesi di massima verosimiglianza costruita dal set di marcatori Bac120 concatenati di 204 rappresentanti delle specie Omnitrophota. Il numero tra parentesi alla fine di ciascuna punta corrisponde all'ID del genoma nella Tabella supplementare 1. I nodi tratteggiati indicano il supporto SH-aLRT ≥80% e il supporto UFboot ≥95%.
70% of EMP samples. Soils displayed the highest taxonomic specificity, with only Omnitrophia, Velamenicoccia and class 2-02-FULL-51-18 occurring at high frequencies. Omnitrophia, Velamenicoccia and Gorgyraia occurred at higher relative abundances in anoxic aquatic environments relative to oxic waters. We propose a broad physicochemical niche for Omnitrophota, with most members being part of the rare biosphere./p>0.3 μm. On the basis of several marker gene sets, we concluded that the SAGs were not contaminated (Extended Data Fig. 1, and Supplementary Figs. 1 and 2), suggesting that either single cells were >0.3 μm or they might be dividing or are single-species aggregates. MAGs (112) from serially filtered cells revealed some species small enough to pass through a 0.2 μm filter in the Velamenicoccia (3), Gorgyraia (3) and Omnitrophia (2) classes (Fig. 2a). Similar to the SAGs, only a few MAGs were recovered from larger size fractions (>0.65 μm) from across the phylum, including Velamenicoccia (5 MAGs), Gorgyraia (8 MAGs), Omnitrophia (3 MAGs), Aquiviventia (1 MAG) and class 2-02-FULL-51-18 (1 MAG); however, whether these represent single cells >0.65 μm or aggregates is unclear. We note that 16S rRNA gene amplicon sequencing of abundant Omnitrophota populations from serial-filtered source water from Cave Spring, Kiup Spring and Grapevine Springs, all in the Spring Mountains of Nevada, produced similar results: all five classes and 13/14 families were more abundant on 0.2 μm filters than on 0.45 μm filters in all springs following tandem filtration (Fig. 2b,c). Together, these results show that cells of all classes of Omnitrophota are frequently among the smallest known cells (Supplementary Table 4)./p>0.5 μm, filled large circle). ‘Acetogen/WLP’, Wood-Ljungdahl pathway and acetogenesis; ‘acs2’, acetyl-CoA synthetase; ‘acsABCDE’, CO dehydrogenase/acetyl-CoA synthase; ‘Respiration’, ‘e- acceptors’ and ‘H2ase’ (hydrogenase) indicate genes predicted to encode proteins involved in energy metabolism. ‘Lo-O2’, cytochrome c oxidase complex; ‘Hi-O2’, cytochrome bd ubiquinol; ‘M+’, metal-reducing cytochromes; ‘e- Pilin’, conductive pili. Symbiosis-related genes include ‘T4aP’ (type-4a pilus), ‘Tad’ (tight-adherence pilus), ‘sF-ATP (‘symbiotic’ type 2/3 FoF1 ATPase α-subunit), ‘Translocase’ (ATP/ADP translocase) and ‘big ORF’ (indicating the presence of a large ORF). ‘Temp’, ‘O2’ and ‘pH’ indicate the observed temperature, oxygen concentration (mM) and pH of the sample from which each genome was sequenced. Data for additional Omnitrophota genomes are summarized in Supplementary Fig. 10./p>75% of 204 high- and medium-quality species representative genomes encoded biosynthetic pathways for nucleotides, all 20 amino acids, NAD, glutathione, pantothenate, coenzyme A, riboflavin, tetrahydrofolate and thiamine. Biosynthetic pathways for heme, cobalamin and biotin were present but not universal (that is, <75% of genomes). Biosynthetic pathways for pyridoxal-5P (M00124) were missing or incomplete across the phylum. C5-isoprenoid biosynthesis (M00096) was complete or near-complete and 4-hydroxybenzoate polyprenyltransferase was detected in >50% of genomes of the Omnitrophia and Aquiviventia, satisfying the requirements to commit 4-hydroxybenzoate to ubiquinone biosynthesis via 4-hydroxy-3-polyprenylbenzoate (M00017). However, chorismate-pyruvate lyase was not detected, so ubiquinone biosynthesis may initiate from an alternate source of 4-hydroxybenzoate rather than chorismate. Menaquinone biosynthetic pathways (M00016) were present in some Velamenicoccia genomes, particularly Zapsychrales. Quinone biosynthesis genes were absent from genomes of 2-02-FULL-51-18 species. Compared with other species from the PVC superphylum, genes not mapping to COGs were reduced in both richness and percentage (P < 0.05, one-way ANOVA and post-hoc Tukey’s HSD) (Supplementary Fig. 6). These analyses show that this phylum has a propensity towards small, streamlined genomes that retain most genes essential for a free-living lifestyle, including energy conservation./p>1% and <50% of species, or deleted if present in only one or no species. See Supplementary Tables 5 and 6 for details of these features for ANI cluster representatives. Red X indicates enzyme/complex is absent in Omnitrophota. * indicates canonical ubiquinone pathway is not complete./p>0.65 μm; Fig. 2). However, serial filtration and FACS indicated both large and small cell sizes in the class, and the scattering of systems indicating possible symbiosis suggests a complex history for this class./p> 0.05, ANOVA with post-hoc Tukey’s HSD) but were higher than those of facultative predators such as Lysobacter, Myxococcales and Streptomycetaceae, and free-living bacteria en masse (P < 0.05, ANOVA with post-hoc Tukey’s HSD; Supplementary Fig. 16); thus, we describe them as hyperactive. We caution against the interpretation that these Omnitrophota are necessarily obligate predators because their small cell size, and therefore higher DNA/biomass stoichiometry, might contribute to higher 18O content of Omnitrophota and other small cells. However, high isotope incorporation of facultative predators with large cell size in the same datasets and in other soils48 argues that the overall isotope incorporation pattern observed here for Omnitrophota is due to some form of symbiosis. Family 2-02-FULL-51-18 also assimilated high amounts of 13C-labelled glucose and oxalate, although long incubation times and high soil community complexity complicate interpretation of carbon source utilization./p>2.5 kbp using MetaBAT2 (ref. 55). The estimated quality of binned MAGs was evaluated using CheckM56, and initial classification was done using the GTDB Toolkit16 v1.1.010 to identify MAGs belonging to Omnitrophota./p>4 members. Additionally, some phyla, such as Firmicutes (labelled Firmicutes_A, Firmicutes_B and so on in GTDB) were collapsed into single units for simplicity. All phylum pairs and Omnitrophota class/phylum pairs were compared using ANOVA followed by Tukey’s HSD. The quantile of each Omnitrophota genome was then calculated as a function of this genome collection./p>
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