Выявление глубокого

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4354 (2023) Цитировать эту статью

1611 Доступов

22 Альтметрика

Подробности о метриках

Было высказано предположение, что ранние бактерии или даже последний универсальный общий предок всех клеток были термофильными. Однако исследования происхождения и эволюции термофилии затруднены трудностями, связанными с выделением глубоковетвистых термофильных микроорганизмов в чистой культуре. Здесь мы изолируем глубоко разветвленную термофильную бактерию из глубоководного гидротермального источника, используя двухэтапную стратегию культивирования («Вычитание-Субоптимальное», StS), предназначенную для выделения редких организмов. Бактерия, которую мы называем Zurongbacter thermophilus 3DAC, представляет собой гетеротроф, восстанавливающий серу, филогенетически родственный Coprothermobacterota и другим группам термофильных бактерий, образуя кладу, которая, по-видимому, представляет собой основную, рано расходящуюся бактериальную линию. Предком этой клады могла быть термофильная, строго анаэробная, подвижная, водородозависимая и миксотрофная бактерия. Таким образом, наше исследование дает представление о ранней эволюции термофильных бактерий.

Организмы с оптимальной температурой роста выше 45 °C обозначаются как термофилы1,2. Эти термофилы повсеместно распространены в естественных или искусственных высокотемпературных средах, таких как наземные вулканические объекты, горячие источники, подводные гидротермальные системы, глубокие подводные дна, нефтяные резервуары, нагретые солнцем поверхностные почвы и промышленные инкубаторы3,4,5,6,7, 8. Некоторые термофилы также могут жить в щелочных, кислых условиях или условиях высокой солености, что подчеркивает их способность переносить множество стрессоров9,10. Эти так называемые «экстремальные условия» обычно считаются аналогами условий, существовавших на ранней Земле, когда жизнь зародилась в позднегадейском или раннем архейском эоне11,12, а многочисленные экспериментальные исследования13,14 и геологические данные15 подтвердили раннее происхождение термофилов.

Термофильные бактерии можно найти в широком диапазоне бактериальных типов, однако лишь некоторые типы содержат почти исключительно термофильные бактерии, а именно: Aquiificota, Dictyoglomota, Coprothermobacterota, Thermotogota и Thermodesulfobiota. Хотя было высказано предположение, что термофилия может представлять собой наследственную особенность бактерий или даже жизни16,17,18,19,20, другие гипотезы выдвигали нетермофильное происхождение бактерий и помещали бактериальные линии, такие как Chloroflexota или Candidate Phyla Radiation. (CPR) возле корня бактериального филогеномного дерева21,22,23. Недавнее исследование с использованием подхода к согласованию деревьев видов и деревьев без внешних групп отвергло ранее предсказанные бактериальные корни и поместило новый надежный корень между двумя основными бактериальными ветвями, то есть Gracilicutes и Terrabacteria, хотя и с неопределенностью относительно филогенетического положения линии Fusobacteriota24. . Тем не менее, остается неясным, когда возникли термофильные бактерии и как развивался их метаболизм.

Прогнозируемый метаболический потенциал последнего общего предка бактерий (LBCA) или ранних дивергентных бактериальных линий может пролить свет на раннюю среду обитания и раннюю экосистему Земли20,25,26,27,28. Что касается термофильных бактерий, несколько предыдущих исследований, посвященных различным линиям, таким как Thermotogota29, Aquiificota30 и Coprothermobacterota31, выявили сложную эволюционную историю с высокой долей генов, горизонтально перенесенных от других прокариот. Однако до сих пор отсутствуют эволюционные исследования, основанные на комплексном сравнительном геномном анализе основных клад термофильных бактерий. Несмотря на то, что метагеномный анализ без культивирования значительно расширил наши знания о бактериальном разнообразии32,33, исследования термофильных бактерий по-прежнему требуют изолированных штаммов для предоставления прямых доказательств их физиологии, таких как оптимальная температура роста для подтверждения их термофильных свойств. Однако получить чистые культивированные новые термофильные бактерии, особенно глубоковетвящиеся клады, чрезвычайно сложно.