Nexo entre la filogenia y la función de los fijadores de nitrógeno recién descubiertos en los metagenomas de la superficie del océano. (a) Análisis filogenómico de 432 genomas de proteobacterias y 43 genomas de planctomicetos que Delmont y sus colegas caracterizaron (incluidos los nueve fijadores de N no fotosintéticos) utilizando una colección de 37 familias de genes marcadores filogenéticos. Las capas que rodean el árbol filogenómico indican el tamaño del genoma y la taxonomía de cada genoma a nivel de filo y clase. (b) Red funcional de los nueve fijadores de N no fotosintéticos basada en un total de 5, 912 funciones genéticas identificadas. El tamaño y el color de los nodos genómicos representan el número de funciones detectadas y la taxonomía genómica, respectivamente. El color de los nodos funcionales indica su aparición en los diferentes genomas. Crédito:Delmont et al (2018) Microbiología de la naturaleza , doi:10.1038 / s41564-018-0176-9
Moverse, cianobacterias! Un estudio a gran escala de la superficie oceánica de la Tierra indica que los microbios responsables de la fijación de nitrógeno allí, que antes se pensaba que eran casi exclusivamente cianobacterias fotosintéticas, incluyen un conjunto abundante y ampliamente distribuido de poblaciones bacterianas no fotosintéticas.
El estudio internacional, publicado esta semana en Microbiología de la naturaleza , fue dirigido por A. Murat Eren (Meren) de la Universidad de Chicago y el Laboratorio de Biología Marina (MBL), Woods Hole, y Tom O. Delmont de la Universidad de Chicago.
La fijación de nitrógeno es un proceso ecológico crítico en el que el nitrógeno atmosférico se convierte en amoníaco, hacer que el nitrógeno sea "biodisponible" para que los organismos vivos lo utilicen como componente fundamental del ADN, ARN y proteínas.
"Los microbios que pueden fijar nitrógeno o carbono están en el centro de la ecología de las comunidades microbianas en muchos entornos, incluyendo la superficie del océano, "Dice Delmont". Antes de nuestro estudio, Se pensaba que los microbios marinos responsables de la fijación de carbono también eran en gran parte responsables de la fijación de nitrógeno. Resulta no ser tan simple ".
"La capacidad de los microbios para fijar nitrógeno es vital para todas las formas de vida, "dice David Mark Welch, Director de Investigación de MBL. "Este estudio amplía nuestra comprensión de la diversidad biológica de la fijación de nitrógeno al proporcionar la primera evidencia genómica de que las bacterias no fotosintéticas en la superficie del océano pueden llevar a cabo estas reacciones".
Usando anvi'o, un estado de la técnica, plataforma bioinformática de código abierto para analizar metagenomas (el conjunto de secuencias de ADN que representan todos los organismos microbianos que se encuentran en un entorno), El equipo reveló conocimientos sobre microbios marinos previamente desconocidos con capacidades de fijación de nitrógeno afiliadas a Proteobacteria y Planctomycetes. un filo bacteriano prevalente que nunca antes se había relacionado con la fijación de nitrógeno.
Estas poblaciones microbianas recientemente descritas se encuentran ampliamente y son particularmente abundantes en el Océano Pacífico, donde promedian un estimado de 700, 000 células por litro de agua de mar y hasta 3 millones de células por litro, órdenes de magnitud más que las estimaciones anteriores para los fijadores de nitrógeno no cianobacterianos en mar abierto.
Utilizando datos generados por la expedición Tara Oceans de 2009 a 2013, Delmont y sus colegas reconstruyeron alrededor de 1, 000 genomas microbianos de más de 30 mil millones de secuencias metagenómicas cortas. De esos 1, 000 genomas, nueve contenían los seis genes necesarios para la fijación de nitrógeno, y, sin embargo, carecía de los genes necesarios para la fotosíntesis. Esta es la primera base de datos genómica de microorganismos no fotosintéticos que habitan en mar abierto y son capaces de fijar nitrógeno.
A. Murat Eren (Meren) y Tom Delmont trabajando con datos de Tara Oceans en la Universidad de Chicago en 2017. Crédito:Fran Jackson
Debido a que el equipo reconstruyó y usó genomas casi completos para su investigación (en lugar de usar un solo gen marcador para la fijación de nitrógeno), podrían resolver las afiliaciones taxonómicas de estas poblaciones fijadoras de nitrógeno. También podrían investigar sus patrones de abundancia y distribución en los océanos y mares de donde provienen las muestras (el Atlántico, Pacífico, Los océanos Índico y Sur y los mares Mediterráneo y Rojo).
"Ahora podemos usar estos genomas de población para guiar el cultivo de laboratorio de planctomicetos y proteobacterias fijadores de nitrógeno del océano abierto", agregó. "Dice Delmont." Esto nos ayudará a comprender las condiciones en las que fijan el nitrógeno, la complejidad de sus estilos de vida funcionales, y otros aspectos de su ecología que no podemos comprender con solo mirar sus genomas, genes y funciones inferidas ".
Meren y Delmont comenzaron esta investigación en el Laboratorio de Biología Marina en 2015 con el apoyo de un Premio a la Innovación Lillie de la Universidad de Chicago. Meren y su grupo continúan desarrollando anvi'o, la plataforma de software de código abierto utilizada en este y otros estudios que investigan la ecología y la evolución de los microbios a través de complejos datos de secuenciación ambiental.
"Los metagenomas ambientales nos brindan acceso sin adulterar a la complejidad de las poblaciones microbianas que ocurren naturalmente, "Dice Meren." Si bien nuestra capacidad para comprenderlos está a merced de nuestras tecnologías moleculares y herramientas computacionales, es refrescante ver a ambos avanzar rápidamente, y aún queda mucho por descubrir. Esperamos ver avances de laboratorio que respalden estos conocimientos iniciales sobre las poblaciones ambientales que probablemente contribuyan a uno de los procesos bioquímicos más esenciales que hacen que nuestro planeta funcione ".
"Este estudio es otro ejemplo de cómo la resolución de genomas directamente del ADN de comunidades microbianas enteras está transformando nuestra comprensión de la diversidad microbiana, "dice el coautor Christopher Quince de la Universidad de Warwick, Reino Unido.
