Genome-resolved metagenomics provides insights into polar microbial community composition, diversity and functional potential related to greenhouse gas cycling

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202010154288
Title: Genome-resolved metagenomics provides insights into polar microbial community composition, diversity and functional potential related to greenhouse gas cycling
Author: Rutanen, Aino
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Nutrition
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202010154288
http://hdl.handle.net/10138/320320
Thesis level: master's thesis
Abstract: Nyt käynnissä oleva ilmaston lämpeneminen, joka on syntynyt kasvihuonekaasujen lämmittävän vaikutuksen vuoksi, aiheuttaa ikiroudan sulamista. Tämä voi muuttaa arktiset ekosysteemit valtavista hiilinieluista mahdollisiksi kasvihuonekaasujen päästölähteiksi, kun mikrobien aineenvaihdunta kiihtyy johtaen aiemmin suurimmaksi osaksi saavuttamattomissa ikiroudassa olevien hiiliyhdisteiden hajotukseen. Mikrobit voivat aineenvaihdunnallaan myötävaikuttaa merkittävästi kasvihuonekaasujen hiilidioksidi (CO2), metaani (CH4) ja dityppioksidi (N2O) päästömääriin, minkä vuoksi tarvitaan arktisten alueiden mikrobien aineenvaihduntaan keskittyviä lisätutkimuksia. Metagenomiikka, joka tutkii kaikkea ympäristönäytteestä eristettyä DNA:ta, mahdollistaa sellaistenkin mikrobien tutkimisen, joita ei voida eristää ja tutkia perinteisillä menetelmillä tuntemattomien tai erittäin monimutkaisten kasvuvaatimusten vuoksi. Toiminnallisuus voidaan yhdistää mikrobilajiin hyödyntämällä metagenomiikan haaraa, jossa metagenomisesta aineistosta rakennetaan genomeja. Tutkimukseni tavoitteena oli tutkia subarktisen alueen mikrobiyhteisön koostumusta, monimuotoisuutta ja kasvihuonekaasujen kiertoon liittyvää toiminnallista potentiaalia rakentamalla genomeja metagenomisesta aineistosta. Maaperänäytteet otettiin Rásttigáisá-tunturilla, joka sijaitsee Pohjois-Norjassa. DNA:n eristyksen jälkeen kymmenen maaperänäytettä, joiden orgaanisen aineksen osuus oli alhainen, sekvensoitiin. Genomeja rakennettiin joko ihmisavusteisen ja automatisoidun ohjelman yhdistelmällä tai ainoastaan ihmisavusteisesti, jonka jälkeen genomien taksonomia ja toiminnallinen potentiaali määritettiin. Sain rakennettua kymmeniä hyvälaatuisia genomeja, joista useat kuuluivat lähes tuntemattomiin pääjaksoihin Dormibacterota (aiemmin kandidaattipääjakso AD3) ja Eremiobacterota (aiemmin kandidaattipääjakso WPS-2). Sain rakennettua genomeja myös seuraavista pääjaksoista: Acidobacteriota, Actinobacteriota, Chloroflexota, Gemmatimonadota, Proteobacteria ja Verrucomicrobiota. Bakteerigenomien lisäksi rakensin neljä arkeonigenomia, jotka kuuluivat ammoniakkia hapettavien arkeonien ryhmään. Suurin osa genomeista kuului hyvin heikosti tutkittuihin fylogeneettisiin ryhmiin ja havaitsin monia sellaisia aineenvaihduntareittejä, joita ei ole aikaisemmin havaittu kyseisissä ryhmissä. Seuraavat aineenvaihduntareitit havaittiin genomeissa: CO2:n sitominen joko Calvinin kierron tai 3-hydroksipropionaatti/4-hydroksibutyraatti-reitistä muokatun version avulla; hiilimonoksidin hapettaminen CO2:ksi; CH4:n hapetus ja sitä seuraava hiilen sitominen seriinireitin avulla; urean, ammoniakin ja nitriitin hapetus; osittainen denitrifikaatio ja nitraatin pelkistys ammoniumioniksi energian saantia varten. Tutkielmani osoittaa, että genomien rakentamiseen keskittyvällä metagenomiikan haaralla pystytään saamaan arvokasta tietoa mikrobiyhteisöstä ja sen toiminnallisesta potentiaalista.Global warming caused by the warming effect of greenhouse gases (GHGs) induces permafrost thaw, which could alter Arctic ecosystems from prominent carbon sinks to potential sources of GHG emissions when polar microorganisms become metabolically more active and have access to carbon compounds that were previously largely unavailable. Polar microbes can have significant contributions to the growing emissions of carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) and therefore, studies on their metabolism are important. The aim of my study was to investigate polar microbial community composition and diversity as well as functional potential that was related to GHG-cycling in a subarctic environment with genome-resolved metagenomics. Soil cores were collected at the Rásttigáisá fell that is located in Northern Norway. After DNA extraction, ten mineral soil samples were sequenced. Metagenome-assembled genomes (MAGs) were reconstructed using either the combination of human-guided binning and automatic binning or human-guided binning only. Taxonomy was assigned to the MAGs and the functional potential of the MAGs was determined. I recovered dozens of good-quality MAGs. Notably, the MAGs from the mostly unknown phyla Dormibacterota (formerly candidate phylum AD3) and Eremiobacterota (formerly candidate phylum WPS-2) were reconstructed. There were MAGs from the following bacterial phyla as well: Acidobacteriota, Actinobacteriota, Chloroflexota, Gemmatimonadota, Proteobacteria and Verrucomicrobiota. In addition to the bacterial MAGs, MAGs from the group of ammonia-oxidizing archaea were recovered. Most of the MAGs belonged to poorly studied phylogenetic groups and consequently, novel functional potential was discovered in many groups of microorganisms. The following metabolic pathways were observed: CO2 fixation via the Calvin cycle and possibly via a modified version of 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle; carbon monoxide oxidation to CO2; CH4 oxidation and subsequent carbon assimilation via serine pathway; urea, ammonia and nitrite oxidation; incomplete denitrification as well as dissimilatory nitrate reduction to ammonium. My study demonstrates how genome-resolved metagenomics provides a valuable overview of the microbial community and its functional potential.
Subject: metagenomics
genome-resolved metagenomics
microbial communities
functional potential
global warming
greenhouse gases
carbon dioxide
methane
nitrous oxide
subarctic
metagenomiikka
mikrobiyhteisöt
toiminnallinen potentiaali
ilmaston lämpeneminen
kasvihuonekaasut
hiilidioksidi
metaani
dityppioksidi
subarktinen
Discipline: Mikrobiologia
Microbiology
Mikrobiologi


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record