Flytta dig, cyanobakterier! En storskalig studie av jordens ythav indikerar de mikrober som är ansvariga för att fixera kväve där - som tidigare ansågs vara nästan uteslutande fotosyntetiska cyanobakterier - inkluderar en riklig och vitt spridd svit av icke-fotosyntetiska bakteriepopulationer.

Den internationella studien, publiceras denna vecka i Naturens mikrobiologi , leddes av A. Murat Eren (Meren) från University of Chicago och Marine Biological Laboratory (MBL), Woods Hole, och Tom O. Delmont från University of Chicago.

Kvävefixering är en kritisk ekologisk process där atmosfäriskt kväve omvandlas till ammoniak, göra kväve "biotillgängligt" för levande organismer att använda som en grundläggande byggsten i DNA, RNA och proteiner.

"Mikrober som kan fixera kväve eller kol är i centrum för mikrobiella samhällens ekologi i många miljöer, inklusive ythav, " säger Delmont. "Innan vår studie, man trodde att de marina mikroberna som var ansvariga för kolfixeringen också till stor del var ansvariga för att fixera kväve. Det visar sig inte vara så enkelt."

"Förmågan hos mikrober att fixera kväve är avgörande för allt liv, " säger David Mark Welch, MBL forskningsdirektör. "Denna studie utökar vår förståelse av den biologiska mångfalden av kvävefixering genom att tillhandahålla det första genomiska beviset för att icke-fotosyntetiska bakterier på havsytan kan utföra dessa reaktioner."

Använder anvi'o, en toppmodern, bioinformatikplattform med öppen källkod för att analysera metagenomer (poolen av DNA-sekvenser som representerar alla mikrobiella organismer som finns i en miljö), Teamet avslöjade insikter i tidigare okända marina mikrober med kvävefixeringsförmåga anslutna till Proteobacteria såväl som Planctomycetes, en utbredd bakteriell filum som aldrig tidigare har kopplats till kvävefixering.

Dessa nyligen beskrivna mikrobiella populationer förekommer brett och är särskilt rikliga i Stilla havet, där de i genomsnitt uppskattningsvis 700, 000 celler per liter havsvatten och upp till 3 miljoner celler per liter – storleksordningar mer än tidigare uppskattningar för icke-cyanobakteriella kvävefixerare i det öppna havet.

Med hjälp av data genererade från Tara Oceans expeditionen från 2009 till 2013, Delmont och kollegor rekonstruerade cirka 1, 000 mikrobiella genom från mer än 30 miljarder korta metagenomiska sekvenser. Av dessa 1, 000 genom, nio innehöll de sex gener som krävs för kvävefixering, och ändå saknade de gener som behövs för fotosyntes. Detta är den första genomiska databasen över icke-fotosyntetiska mikroorganismer som lever i det öppna havet och kan fixera kväve.

Eftersom teamet rekonstruerade och använde nästan kompletta genom för sin undersökning (istället för att använda en enda markörgen för kvävefixering), de skulle kunna lösa de taxonomiska kopplingarna för dessa kvävefixerande populationer. De kunde också undersöka deras överflöd och utbredningsmönster i haven och haven som proverna kom från (Atlanten, Stilla havet, Indiska och södra oceanen samt Medelhavet och Röda havet).

"Vi kan nu använda dessa populationsgenom för att vägleda laboratorieodlingen av kvävefixerande Planctomycetes och Proteobacteria från det öppna havet, ", säger Delmont. "Detta kommer att hjälpa oss att förstå de förhållanden under vilka de fixerar kväve, komplexiteten i deras funktionella livsstil, och andra aspekter av deras ekologi som vi inte kan förstå genom att bara titta på deras genom, gener och härledda funktioner."

Meren och Delmont började denna forskning vid Marine Biological Laboratory 2015 med stöd av en University of Chicago Lillie Innovation Award. Meren och hans grupp fortsätter att utveckla anvi'o, mjukvaruplattformen med öppen källkod som används i denna och andra studier som undersöker mikrobers ekologi och evolution genom komplexa miljösekvenseringsdata.

"Miljömetagenomer ger oss oförfalskad tillgång till komplexiteten hos naturligt förekommande mikrobiella populationer, " säger Meren. "Medan vår förmåga att förstå dem är utlämnad till våra molekylära teknologier och beräkningsverktyg, det är uppfriskande att se båda utvecklas snabbt, och det finns fortfarande så mycket att upptäcka. Vi ser fram emot att se framsteg från bänksidan som styrker dessa initiala insikter om miljöpopulationer som sannolikt bidrar till en av de mest väsentliga biokemiska processerna som får vår planet att ticka."

"Denna studie är ytterligare ett exempel på hur upplösning av genom direkt från DNA från hela mikrobiella samhällen förändrar vår förståelse av mikrobiell mångfald, " säger medförfattaren Christopher Quince från University of Warwick, Storbritannien.