Microbial functional diversity across biogeochemical provinces in the central Pacific Ocean.
Microbial functional diversity across biogeochemical provinces in the central Pacific Ocean.
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中太平洋生物地球化学省的微生物功能多样性。
DOI：
10.1073/pnas.2200014119
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发表时间：
2022-09-13
影响因子：
11.1
通讯作者：
Saito, Mak A.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Saunders, Jaclyn K.;McIlvin, Matthew R.;Dupont, Chris L.;Kaul, Drishti;Moran, Dawn M.;Horner, Tristan;Laperriere, Sarah M.;Webb, Eric A.;Bosak, Tanja;Santoro, Alyson E.;Saito, Mak A.
酶蛋白是生命的引擎，产生能量，将二氧化碳固定为有机物，并建立生物质。在规模上，这些生物催化剂有能力推动全球元素循环。这些微生物机器负责大气的氧化，可以调解温室气体的形成和破坏，并可能影响云的形成。在这里，我们使用跨太平洋中部的元蛋白质组学来研究微生物蛋白质分布如何在垂直和水平尺度上变化，确定微生物财团之间的相互作用，并根据主要的地球化学特征表征代谢热点。这些观测结果提供了对微生物群落动态的深入了解，并可以作为生物地球化学生态系统模型的经验约束，以提高对不断变化的地球上微生物相互作用的理解。酶催化地球维持生命的地球化学循环中的关键反应。在这里，我们使用元蛋白质组学来检查微生物群落（0.2至3微米）的酶的能力，沿着一个5,000公里长，1公里深的横断面在太平洋中部。85%的总蛋白质丰度是细菌来源的，其中细菌占1.6%。鉴定了超过2，000个功能性KEGG本体（KO）组，但只有25个KO组贡献了超过一半的蛋白质丰度，同时表明丰富的关键功能和不同功能的长尾。个别蛋白质的垂直衰减显示分层的营养运输，碳利用和环境压力。微生物群落也不同沿着水平尺度，形成特定的贫营养北太平洋亚热带环流，缺氧的热带北太平洋东部，营养丰富的赤道上升流的环境特征。一些最丰富的蛋白质与硝化和C1代谢，观察到这些途径之间的相互作用。氧化还原酶亚硝酸盐氧化还原酶（NxrAB）、亚硝酸盐还原酶（NirK）、氨单加氧酶（AmoABC）、锰氧化酶（MnxG）、甲酸脱氢酶（FdoGH和FDH）和一氧化碳脱氢酶（CoxLM）显示出指示生物地球化学状态（例如氧化或营养应激）的分布，具有比化学传感器更敏感的潜力。在上升流区，介导CO、CO2、NO、甲烷硫醇和甲胺等大气气体转化的酶最为丰富。我们确定了中太平洋生物化学转化的热点，突出了以前研究不足的环境中的代谢途径，并为预测生态系统对气候变化的响应至关重要的生物地球化学模型提供了丰富的经验数据。
Enzymatic proteins are the engines of life, generating energy, fixing CO2 into organic matter, and building biomass. At scale, these biological catalysts have the power to drive global elemental cycles. These microbial machines were responsible for the oxygenation of the atmosphere, can mediate the formation and destruction of greenhouse gases, and potentially influence cloud formation. Here, we used metaproteomics across the central Pacific Ocean to investigate how microbial protein distributions change across vertical and horizontal scales, identify interactions among microbial consortia, and characterize metabolic hot spots in line with major geochemical features. These observations provide insights into microbial community dynamics and can act as empirical constraints for biogeochemical ecosystem models to improve understanding of microbial interactions on a changing planet. Enzymes catalyze key reactions within Earth’s life-sustaining biogeochemical cycles. Here, we use metaproteomics to examine the enzymatic capabilities of the microbial community (0.2 to 3 µm) along a 5,000-km-long, 1-km-deep transect in the central Pacific Ocean. Eighty-five percent of total protein abundance was of bacterial origin, with Archaea contributing 1.6%. Over 2,000 functional KEGG Ontology (KO) groups were identified, yet only 25 KO groups contributed over half of the protein abundance, simultaneously indicating abundant key functions and a long tail of diverse functions. Vertical attenuation of individual proteins displayed stratification of nutrient transport, carbon utilization, and environmental stress. The microbial community also varied along horizontal scales, shaped by environmental features specific to the oligotrophic North Pacific Subtropical Gyre, the oxygen-depleted Eastern Tropical North Pacific, and nutrient-rich equatorial upwelling. Some of the most abundant proteins were associated with nitrification and C1 metabolisms, with observed interactions between these pathways. The oxidoreductases nitrite oxidoreductase (NxrAB), nitrite reductase (NirK), ammonia monooxygenase (AmoABC), manganese oxidase (MnxG), formate dehydrogenase (FdoGH and FDH), and carbon monoxide dehydrogenase (CoxLM) displayed distributions indicative of biogeochemical status such as oxidative or nutritional stress, with the potential to be more sensitive than chemical sensors. Enzymes that mediate transformations of atmospheric gases like CO, CO2, NO, methanethiol, and methylamines were most abundant in the upwelling region. We identified hot spots of biochemical transformation in the central Pacific Ocean, highlighted previously understudied metabolic pathways in the environment, and provided rich empirical data for biogeochemical models critical for forecasting ecosystem response to climate change.
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好氧氨氧化古菌维也纳亚硝化菌中的含铜异化亚硝酸还原酶 (NirK) 通过亚硝酸盐还原和羟胺氧化产生一氧化氮。
影响因子：
2.2
作者：
Kobayashi S;Hira D;Yoshida K;Toyofuku M;Shida Y;Ogasawara W;Yamaguchi T;Araki N;Oshiki M
通讯作者：
Oshiki M
影响因子：
64.8
作者：
Harris CR;Millman KJ;van der Walt SJ;Gommers R;Virtanen P;Cournapeau D;Wieser E;Taylor J;Berg S;Smith NJ;Kern R;Picus M;Hoyer S;van Kerkwijk MH;Brett M;Haldane A;Del Río JF;Wiebe M;Peterson P;Gérard-Marchant P;Sheppard K;Reddy T;Weckesser W;Abbasi H;Gohlke C;Oliphant TE
通讯作者：
Oliphant TE
DOI：
10.1038/ismej.2017.148
发表时间：
2018-01
期刊：
The ISME journal
影响因子：
--
作者：
Eyice Ö;Myronova N;Pol A;Carrión O;Todd JD;Smith TJ;Gurman SJ;Cuthbertson A;Mazard S;Mennink-Kersten MA;Bugg TD;Andersson KK;Johnston AW;Op den Camp HJ;Schäfer H
通讯作者：
Schäfer H
亚硝酸盐氧化细菌 Nitrospira marina 的代谢多样性及其对限氧条件的蛋白质组反应。
DOI：
10.1038/s41396-020-00828-3
发表时间：
2021-04
期刊：
The ISME journal
影响因子：
--
作者：
Bayer B;Saito MA;McIlvin MR;Lücker S;Moran DM;Lankiewicz TS;Dupont CL;Santoro AE
通讯作者：
Santoro AE
DOI：
10.1073/pnas.0506625102
发表时间：
2005-10-11
影响因子：
11.1
作者：
Francis, CA;Roberts, KJ;Oakley, BB
通讯作者：
Oakley, BB