Diversificazione evolutiva degli ANME metanotrofi

Nature Microbiology volume 8, pagine 231–245 (2023) Citare questo articolo

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'Candidatus Methanophagales' (ANME-1) è un clade di archaea a livello di ordine responsabile dell'ossidazione anaerobica del metano nei sedimenti di acque profonde. La diversità, l'ecologia e l'evoluzione dell'ANME-1 rimangono poco comprese. In questo studio, utilizziamo la metagenomica su campioni idrotermali di acque profonde per espandere la diversità ANME-1 e scoprire l’effetto delle dinamiche virus-ospite. Le analisi filogenetiche rivelano una famiglia termofila con ramificazione profonda, "Candidatus Methanospirareceae", strettamente correlata agli ossidanti degli alcani a catena corta. La filogenesi globale e i genomi quasi completi mostrano che il metabolismo dell'idrogeno all'interno dell'ANME-1 è un tratto antico che è stato ereditato verticalmente ma perso in modo differenziale durante la diversificazione del lignaggio. La metagenomica ha inoltre scoperto 16 famiglie di virus non descritte finora che prendono di mira esclusivamente gli archaea ANME-1, mostrando firme strutturali e replicative uniche. L'ampio viroma ANME-1 contiene un repertorio di geni metabolici che può influenzare l'ecologia e l'evoluzione dell'ospite attraverso lo spostamento genico mediato dal virus. I nostri risultati suggeriscono un continuum evolutivo tra il metano anaerobico e gli ossidanti alcani a catena corta e sottolineano gli effetti dei virus sulla dinamica e sull’evoluzione degli ecosistemi guidati dal metano.

Gli archaea metanotrofi anaerobici (ANME) sono un gruppo polifiletico di lignaggi archaeali che hanno evoluto in modo indipendente la capacità di ossidazione anaerobica del metano (AOM), un processo che si stima rimuova più dell'80% del metano prodotto globalmente nei sedimenti delle acque profonde1 da invertendo il percorso della metanogenesi2. Mentre i lignaggi ANME-2 e ANME-3 condividono antenati comuni con gli attuali metanogeni dell'ordine Methanosarcinales, gli archaea ANME-1 formano il proprio ordine "Candidatus Methanophagales", che è sorella dei degradatori di alcani non metanici "Candidatus Syntrophoarchaeales ' e 'Candidatus Alkanophagales'3. Gli ANME-1 possono crescere oltre gli habitat freddi e temperati delle profondità marine che spesso condividono con altri ANME, prosperando unicamente a temperature più elevate all'interno degli ambienti idrotermali2,4,5. Nei sedimenti marini, gli ANME formano principalmente associazioni sintrofiche con batteri solfato-riduttori6 tramite trasferimento elettronico diretto tra specie7,8. Tuttavia, alcuni ANME-1 sono stati osservati come singole cellule o come consorzi monospecifici senza batteri partner5,9,10,11 e sono stati proposti per eseguire la metanogenesi idrogenotrofica10,11,12, sebbene gli esperimenti fisiologici finora non siano riusciti a supportare questa ipotesi13 ,14. Nel complesso, rimane in gran parte poco chiaro quali fattori abbiano contribuito alla diversificazione fisiologica ed ecologica degli ANME-1 dai loro parenti alcani a catena corta e da altri lignaggi ANME.

Nonostante la predominanza degli archaea ANME in molti ecosistemi ricchi di metano, i virus che colpiscono i lignaggi ANME sono in gran parte inesplorati15,16,17. Sfruttando e diffondendo le risorse cellulari ospiti attraverso i loro cicli di replicazione e litici, i virus svolgono un ruolo importante nelle dinamiche ecologiche e nel ciclo dei nutrienti in diversi sistemi microbici18. Negli ecosistemi delle acque profonde, si stima che la lisi virale causi una mortalità annuale degli archaea che rilascia fino a circa 0,3-0,5 gigatonnellate di carbonio a livello globale19. Caratterizzare le distribuzioni e le funzioni dei virus degli ANME è quindi uno dei compiti più importanti per collegare quantitativamente la fisiologia degli ANME ai flussi elementali ed energetici negli ecosistemi delle profondità marine guidati dal metano e per comprendere i fattori trainanti dell’evoluzione degli ANME.

In questo studio, abbiamo recuperato 13 genomi assemblati con metagenoma (MAG) di ANME-1 in campioni minerali nativi e incubati in laboratorio dal sistema di ventilazione idrotermale del bacino di Pescadero meridionale20 nel Golfo di California, in Messico (Tabelle supplementari 1 e 2). Questi campioni non solo hanno ampliato la diversità conosciuta all'interno del clade ANME-1a, in particolare del gruppo ANME-1 G60, ma contenevano anche cinque MAG e un'impalcatura genomica circolare da 1,6 Mb di un clade con ramificazione profonda precedentemente non caratterizzato, posizionato filogeneticamente alla base del clade Ordine ANME-1 (Fig. 1, Dati estesi Fig. 1 e Tabelle Supplementari 2 e 3). Chiamiamo questo clade a livello familiare "Candidatus Methanospirareceae" o ANME-1c. Data la sua posizione basale, è l'ANME-1 filogeneticamente più vicino agli ordini fratelli dei degradatori di alcani non metanici Alkanophagales e Syntrophoarchaeales21.