Published December 1, 2021
| Version v1
Publication
Biogeographic and Evolutionary Patterns of Trace Element Utilization in Marine Microbial World
- 1. Shanghai Institute of Nutrition and Health
- 2. Shenzhen University
- 3. Shanghai Institutes for Biological Sciences
Description
Trace elements are required by all organisms, which are key components of many enzymes catalyzing important biological reactions. Many trace element-dependent proteins have been characterized; however, little is known about their occurrence in microbial communities in diverse environments, especially the global marine ecosystem. Moreover, the relationships between trace element utilization and different types of environmental stressors are unclear. In this study, we used metagenomic data from the Global Ocean Sampling expedition project to identify the biogeographic distribution of genes encoding trace element-dependent proteins (for copper, molybdenum, cobalt, nickel, and selenium) in a variety of marine and non-marine aquatic samples. More than 56,000 metalloprotein and selenoprotein genes corresponding to nearly 100 families were predicted, becoming the largest dataset of marine metalloprotein and selenoprotein genes reported to date. In addition, samples with enriched or depleted metalloprotein/selenoprotein genes were identified, suggesting an active or inactive usage of these micronutrients in various sites. Further analysis of interactions among the elements showed significant correlations between some of them, especially those between nickel and selenium/copper. Finally, investigation of the relationships between environmental conditions and metalloprotein/selenoprotein families revealed that many environmental factors might contribute to the evolution of different metalloprotein and/or selenoprotein genes in the marine microbial world. Our data provide new insights into the utilization and biological roles of these trace elements in extant marine microbes, and might also be helpful for the understanding of how these organisms have adapted to their local environments.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
العناصر النزرة مطلوبة من قبل جميع الكائنات الحية، وهي مكونات رئيسية للعديد من الإنزيمات التي تحفز التفاعلات البيولوجية المهمة. تم وصف العديد من البروتينات المعتمدة على العناصر النزرة ؛ ومع ذلك، لا يُعرف سوى القليل عن وجودها في المجتمعات الميكروبية في بيئات متنوعة، وخاصة النظام البيئي البحري العالمي. علاوة على ذلك، فإن العلاقات بين استخدام العناصر النزرة والأنواع المختلفة من الضغوطات البيئية غير واضحة. في هذه الدراسة، استخدمنا البيانات الميتاجينومية من مشروع بعثة أخذ عينات المحيطات العالمية لتحديد التوزيع الجغرافي الحيوي للجينات التي ترمز إلى البروتينات المعتمدة على العناصر النزرة (للنحاس والموليبدينوم والكوبالت والنيكل والسيلينيوم) في مجموعة متنوعة من العينات المائية البحرية وغير البحرية. تم التنبؤ بأكثر من 56000 جين من البروتينات المعدنية والبروتينات السيلينية المقابلة لما يقرب من 100 عائلة، لتصبح أكبر مجموعة بيانات من البروتينات المعدنية البحرية وجينات البروتينات السيلينية التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد عينات تحتوي على جينات البروتين المعدني/البروتين السيليني المخصب أو المستنفد، مما يشير إلى الاستخدام النشط أو غير النشط لهذه المغذيات الدقيقة في مواقع مختلفة. أظهر مزيد من التحليل للتفاعلات بين العناصر ارتباطات كبيرة بين بعضها، خاصة تلك الموجودة بين النيكل والسيلينيوم/النحاس. أخيرًا، كشف التحقيق في العلاقات بين الظروف البيئية والبروتينات المعدنية/عائلات البروتينات السيلينية أن العديد من العوامل البيئية قد تسهم في تطور جينات البروتينات المعدنية و/أو البروتينات السيلينية المختلفة في عالم الميكروبات البحرية. توفر بياناتنا رؤى جديدة حول الاستخدام والأدوار البيولوجية لهذه العناصر النزرة في الميكروبات البحرية الموجودة، وقد تكون مفيدة أيضًا في فهم كيفية تكيف هذه الكائنات الحية مع بيئاتها المحلية.Translated Description (French)
Les oligo-éléments sont requis par tous les organismes, qui sont des composants clés de nombreuses enzymes catalysant des réactions biologiques importantes. De nombreuses protéines dépendantes des oligo-éléments ont été caractérisées ; cependant, on sait peu de choses sur leur présence dans les communautés microbiennes dans divers environnements, en particulier l'écosystème marin mondial. De plus, les relations entre l'utilisation des oligo-éléments et les différents types de facteurs de stress environnementaux ne sont pas claires. Dans cette étude, nous avons utilisé des données métagénomiques du projet Global Ocean Sampling expedition pour identifier la distribution biogéographique des gènes codant pour des protéines dépendantes des oligo-éléments (pour le cuivre, le molybdène, le cobalt, le nickel et le sélénium) dans une variété d'échantillons aquatiques marins et non marins. Plus de 56 000 gènes de métalloprotéines et de sélénoprotéines correspondant à près de 100 familles ont été prédits, devenant le plus grand ensemble de données de gènes de métalloprotéines et de sélénoprotéines marines rapporté à ce jour. De plus, des échantillons avec des gènes de métalloprotéines/sélénoprotéines enrichis ou appauvris ont été identifiés, suggérant une utilisation active ou inactive de ces micronutriments dans divers sites. Une analyse plus approfondie des interactions entre les éléments a montré des corrélations significatives entre certains d'entre eux, en particulier entre le nickel et le sélénium/cuivre. Enfin, l'étude des relations entre les conditions environnementales et les familles de métalloprotéines/sélénoprotéines a révélé que de nombreux facteurs environnementaux pourraient contribuer à l'évolution de différents gènes de métalloprotéines et/ou de sélénoprotéines dans le monde microbien marin. Nos données fournissent de nouvelles informations sur l'utilisation et les rôles biologiques de ces oligo-éléments dans les microbes marins existants, et pourraient également être utiles pour comprendre comment ces organismes se sont adaptés à leur environnement local.Translated Description (Spanish)
Todos los organismos requieren oligoelementos, que son componentes clave de muchas enzimas que catalizan reacciones biológicas importantes. Se han caracterizado muchas proteínas dependientes de oligoelementos; sin embargo, se sabe poco sobre su presencia en comunidades microbianas en diversos entornos, especialmente en el ecosistema marino mundial. Además, las relaciones entre la utilización de oligoelementos y los diferentes tipos de factores estresantes ambientales no están claras. En este estudio, utilizamos datos metagenómicos del proyecto Global Ocean Sampling expedition para identificar la distribución biogeográfica de genes que codifican proteínas dependientes de oligoelementos (para cobre, molibdeno, cobalto, níquel y selenio) en una variedad de muestras acuáticas marinas y no marinas. Se predijeron más de 56.000 genes de metaloproteínas y selenoproteínas correspondientes a casi 100 familias, convirtiéndose en el mayor conjunto de datos de genes de metaloproteínas y selenoproteínas marinas informado hasta la fecha. Además, se identificaron muestras con genes de metaloproteína/selenoproteína enriquecidos o agotados, lo que sugiere un uso activo o inactivo de estos micronutrientes en varios sitios. Un análisis más detallado de las interacciones entre los elementos mostró correlaciones significativas entre algunos de ellos, especialmente entre el níquel y el selenio/cobre. Finalmente, la investigación de las relaciones entre las condiciones ambientales y las familias de metaloproteínas/selenoproteínas reveló que muchos factores ambientales podrían contribuir a la evolución de diferentes genes de metaloproteínas y/o selenoproteínas en el mundo microbiano marino. Nuestros datos proporcionan nuevos conocimientos sobre la utilización y las funciones biológicas de estos oligoelementos en los microbios marinos existentes, y también podrían ser útiles para comprender cómo estos organismos se han adaptado a sus entornos locales.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الأنماط الجغرافية الحيوية والتطورية لاستخدام العناصر النزرة في عالم الميكروبات البحرية
- Translated title (French)
- Modèles biogéographiques et évolutifs d'utilisation des éléments traces dans le monde microbien marin
- Translated title (Spanish)
- Patrones biogeográficos y evolutivos de la utilización de oligoelementos en el mundo microbiano marino
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3129398257
- DOI
- 10.1016/j.gpb.2021.02.003
References
- https://openalex.org/W1522694764
- https://openalex.org/W1635391495
- https://openalex.org/W1907556927
- https://openalex.org/W1925864076
- https://openalex.org/W1925924848
- https://openalex.org/W1941227016
- https://openalex.org/W1964760602
- https://openalex.org/W1978381941
- https://openalex.org/W1980381654
- https://openalex.org/W1985005333
- https://openalex.org/W1988604509
- https://openalex.org/W1992819850
- https://openalex.org/W1993459189
- https://openalex.org/W1995920378
- https://openalex.org/W1996260234
- https://openalex.org/W2001998436
- https://openalex.org/W2010985843
- https://openalex.org/W2013036895
- https://openalex.org/W2022372170
- https://openalex.org/W2025081536
- https://openalex.org/W2045245826
- https://openalex.org/W2059872354
- https://openalex.org/W2061727835
- https://openalex.org/W2063573248
- https://openalex.org/W2066596168
- https://openalex.org/W2066934054
- https://openalex.org/W2068117645
- https://openalex.org/W2071816962
- https://openalex.org/W2072090442
- https://openalex.org/W2073015672
- https://openalex.org/W2079723706
- https://openalex.org/W2088504097
- https://openalex.org/W2093830129
- https://openalex.org/W2096315641
- https://openalex.org/W2098132478
- https://openalex.org/W2105416725
- https://openalex.org/W2123940707
- https://openalex.org/W2128315811
- https://openalex.org/W2128360087
- https://openalex.org/W2128608882
- https://openalex.org/W2133500149
- https://openalex.org/W2137564264
- https://openalex.org/W2138636857
- https://openalex.org/W2147177078
- https://openalex.org/W2147306330
- https://openalex.org/W2150117696
- https://openalex.org/W2159554322
- https://openalex.org/W2159675211
- https://openalex.org/W2165838417
- https://openalex.org/W2166108240
- https://openalex.org/W2169285895
- https://openalex.org/W2179173567
- https://openalex.org/W2258804214
- https://openalex.org/W2327997247
- https://openalex.org/W2332738554
- https://openalex.org/W2581262905
- https://openalex.org/W2613823001
- https://openalex.org/W263758105
- https://openalex.org/W2891016154
- https://openalex.org/W2950985821
- https://openalex.org/W4234573133
- https://openalex.org/W862767725