Thaumarchaeota in marinen Sedimenten

Marine Sedimente beherbergen das größte Reservoir an organischem Kohlenstoff in der Welt und auch eine riesige Zahl von Mikroorganismen. Diese komplexen mikrobiellen Gemeinschaften und ihre assoziierten metabolischen Aktivitäten haben großen Einfluss auf globale biogeochemische Kreisläufe. Ihre Struktur und Funktion zu verstehen ist essenziell, um die Umsetzung des Kohlenstoffs und anderer wichtiger Elemente in marinen Systemen vorhersagen zu können. Allerdings ist die Mehrzahl der Organismen in der sog. Subsurface sehr schlecht charakterisiert und ihre physiologischen Aktivitäten sind daher unbekannt. Eine der am weitesten verbreiteten und in hoher Zahl vorkommenden mikrobiellen Gruppen in marinen Sedimenten sind Thaumarchaeota, die ein neues Phylum der Archaea bilden und bis vor kurzem noch zu den mesophilen Crenarchaeota gezählt wurden. Thaumarchaeota können in aeroben Ökosystemen, also im marinen Plankton, in Böden und Süßwasser Ammoniak oxidieren und wurden durch diesen ersten Schritt der Nitrifizierung als Komponenten des globalen Stickstoff Zyklus erkannt. Obwohl ihr Energiestoffwechsel in marinen Sedimenten noch unbekannt ist, kann man annehmen, dass dieser anders und wahrscheinlich vielseitiger ist, da viele Thaumarchaeota in anaeroben Horizonten der tiefen Sedimente vorkommen. In dieser Studie wird das genomische Potenzial verschiedener Thaumarchaeota Gruppen, die typischerweise in marinen Sedimenten vorkommen charakterisiert und es werden Repräsentanten kultiviert, um sie physiologisch näher zu beschreiben. Unser Projekt baut auf eine intensive Studie von zwei hoch stratifizierten marinen Bohrkernen aus der ultra slow spreading ridge des Nord Atlantiks auf (PNAS 2012, 109(42):E2846-55). Die 3 Meter langen Bohrkerne haben ungewöhnlich starke und komprimierte geochemische Profile die uns erlaubten, quantitative Koorelationen zwischen der Geochemie und den Änderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft in den verschiedenen Horizonten zu finden. in acht von 15 Horizonten dieser Bohrkerne dominierten Thaumarchaeota verschiedener Subgruppen die typischerweise aus tiefen marinen Sedimenten bekannt sind.DNA aus diesen Horizonten wird als Ausgangsmaterial für metagenomische Untersuchungen eingesetzt und Zellextrakte für anschliessende Einzel- Zellgenomik werden präpariert. Parallel dazu wird eineVielzahlvon Kultivierungsbedingungen für Thaumarchaeota basierend aufden bekannten geochemischen Kontextdaten getestet. Im Verlauf des Projekts werden die genomischen Informationen genutzt, um Kultivierungsstrategien zu verbessern und im Gegenzug werden Anreicherungskulturenwiederumals besseresAusgangsmaterialfür Einzel- Zellgenomanalysen dienen. Zusätzlich sollen Isotopenstudien an aktiv wachsenden Archaea- Anreicherungen durchgeführt werden und mit NanoSIMS imaging (Nano Sekundärionen Massen Spektrometrie) analysiert, um die Assimilation von Substraten durch bestimmte archaeale Gruppen experimentell zu verifizieren. Vergleichende Genomanalysen werden durchgeführt, um die spezifischen genomischen und physiologischen Anpassungen und evolutionäre Verwandtschaftsverhältnisse mit anderen Gruppen zu klären. Unsere Studie wird Einblicke in das physiologische, metabolische und genomische Potenzial und in die Evolution einer der am weitesten verbreiteten und häufigsten, aber sehr wenig charakterisierten Mikroorganismengruppen auf diesem Planeten geben.

Marine Sedimente beherbergen das weltweit größte Reservoir an organischem Kohlenstoff sowie eine große Anzahl von Mikroorganismen. Diese komplexen mikrobiellen Gemeinschaften und die damit verbundenen Stoffwechselaktivitäten haben einen tiefgreifenden Einfluss auf die globalen biogeochemischen Kreisläufe. Das Verständnis ihrer Struktur und Funktion ist entscheidend für die Vorhersage des Schicksals von Kohlenstoff und anderen wesentlichen Elementen im marinen System. Über die Aktivität und Anpassung dieser Mikroorganismen ist jedoch relativ wenig bekannt. In diesem Projekt haben wir die Genome von Archaea aus dem Stamm Thaumarchaeota rekonstruiert, die in Tiefseesedimenten reichlich vorhanden sind. Die elf assemblierten Genome welche von Proben des Nordatlantischen Rücken und den tiefsten Stellen im Pazifik stammen geben Auskunft über drei verschiedene Abstammungslinien, die sich unabhängig voneinander entwickelt haben, wahrscheinlich von Vorfahren aus marinen bzw. Süßwasser-Sedimenten. Sie sind alle drei zur Ammoniakoxidation fähig, wie ihre Verwandten aus pelagischen Gewässern und flachen Sedimenten, Süßwasser oder Boden. Sie zeigen jedoch spezifische Stoffwechselanpassungen und Reparaturmechanismen, die es ihnen ermöglichen, mit den extremen Bedingungen der Tiefsee, insbesondere Nährstoffbegrenzung und hohem hydrostatischem Druck, fertig zu werden. Dies schließt die Fähigkeit ein, Fermentationsprodukte und Aminosäuren aus der Umwelt aufzunehmen und in eigene Zellbausteine umzuformen, um Stoffwechselenergie einzusparen. Darüber hinaus ermöglichen spezifische Pumpen zur Aufrechterhaltung der intrazellulären Ionenkonzentrationen und des pH-Wertes sowie zusätzliche Gene zur Reparatur des genetischen Materials diesen Organismen, in den extremen Tiefseehabitaten zu gedeihen. Durch die Rekonstruktion der Vorfahren der verschiedenen Ammoniak-oxidierenden Abstammungslinien von Thaumarchaeota zeigen wir, dass diese Organismen aus einem aeroben Vorfahren in heißen Quellen hervorgegangen sind und durch evolutionäre Anpassung eine beeindruckend weit verbreitete mikrobielle Gruppe auf der Erde gebildet haben. Trotz vieler individueller Anpassungen leben diese Organismen alle auf der Basis desselben Energiestoffwechsels, d.h. der Oxidation von Ammoniak zu Nitrit bei gleichzeitiger Fixierung von anorganischem Kohlenstoff, wodurch sie den Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf auf globaler Ebene maßgeblich beeinflussen.