Complex organic matter degradation by secondary consumers in chemolithoautotrophy-based subsurface geothermal ecosystems
Creators
- Raegan Paul1
- Timothy J. Rogers1
- Katherine Fullerton1
- Matteo Selci2
- Martina Cascone2
- Murray H. Stokes1
- Andrew D. Steen1
- J. Maarten de Moor3
- Agostina Chiodi4
- Andri Stefánsson5
- Sæmundur A. Halldórsson5
- Carlos Ramírez
- Gerdhard L Jessen6, 7
- Peter H. Barry8
- Angelina Cordone2
- Donato Giovannelli8, 9, 10, 11, 2, 12
- Karen G. Lloyd1
- 1. University of Tennessee at Knoxville
- 2. University of Naples Federico II
- 3. University of New Mexico
- 4. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
- 5. University of Iceland
- 6. University of Concepción
- 7. Austral University of Chile
- 8. Woods Hole Oceanographic Institution
- 9. National Research Council
- 10. Life Science Institute
- 11. Tokyo Institute of Technology
- 12. Rutgers, The State University of New Jersey
Description
Microbial communities in terrestrial geothermal systems often contain chemolithoautotrophs with well-characterized distributions and metabolic capabilities. However, the extent to which organic matter produced by these chemolithoautotrophs supports heterotrophs remains largely unknown. Here we compared the abundance and activity of peptidases and carbohydrate active enzymes (CAZymes) that are predicted to be extracellular identified in metagenomic assemblies from 63 springs in the Central American and the Andean convergent margin (Argentinian backarc of the Central Volcanic Zone), as well as the plume-influenced spreading center in Iceland. All assemblies contain two orders of magnitude more peptidases than CAZymes, suggesting that the microorganisms more often use proteins for their carbon and/or nitrogen acquisition instead of complex sugars. The CAZy families in highest abundance are GH23 and CBM50, and the most abundant peptidase families are M23 and C26, all four of which degrade peptidoglycan found in bacterial cells. This implies that the heterotrophic community relies on autochthonous dead cell biomass, rather than allochthonous plant matter, for organic material. Enzymes involved in the degradation of cyanobacterial- and algal-derived compounds are in lower abundance at every site, with volcanic sites having more enzymes degrading cyanobacterial compounds and non-volcanic sites having more enzymes degrading algal compounds. Activity assays showed that many of these enzyme classes are active in these samples. High temperature sites (> 80°C) had similar extracellular carbon-degrading enzymes regardless of their province, suggesting a less well-developed population of secondary consumers at these sites, possibly connected with the limited extent of the subsurface biosphere in these high temperature sites. We conclude that in < 80°C springs, chemolithoautotrophic production supports heterotrophs capable of degrading a wide range of organic compounds that do not vary by geological province, even though the taxonomic and respiratory repertoire of chemolithoautotrophs and heterotrophs differ greatly across these regions.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
غالبًا ما تحتوي المجتمعات الميكروبية في أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية الأرضية على مواد كيميائية ذاتية التغذية مع توزيعات مميزة جيدًا وقدرات استقلابية. ومع ذلك، فإن مدى دعم المواد العضوية التي تنتجها هذه المواد الكيميائية ذاتية التغذية للمواد غير المتجانسة لا يزال غير معروف إلى حد كبير. هنا قارنا وفرة ونشاط الببتيدات والإنزيمات النشطة للكربوهيدرات (CAZymes) التي من المتوقع أن تكون خارج الخلية تم تحديدها في تجمعات ميتاجينية من 63 ينبوعًا في أمريكا الوسطى وهامش الأنديز المتقارب (القوس الخلفي الأرجنتيني للمنطقة البركانية الوسطى)، بالإضافة إلى مركز الانتشار المتأثر بالأعمدة في أيسلندا. تحتوي جميع التجميعات على ببتيدات أكبر بمقدار رتبتين من CAZymes، مما يشير إلى أن الكائنات الحية الدقيقة تستخدم في كثير من الأحيان البروتينات للحصول على الكربون و/أو النيتروجين بدلاً من السكريات المعقدة. فصائل CAZy الأكثر وفرة هي GH23 و CBM50، وفصائل الببتيدات الأكثر وفرة هي M23 و C26، وكلها تتحلل من الببتيدوجليكان الموجود في الخلايا البكتيرية. وهذا يعني أن المجتمع غير المتجانس يعتمد على الكتلة الحيوية للخلية الميتة الأصلية، بدلاً من المادة النباتية غير المتجانسة، للحصول على المواد العضوية. تكون الإنزيمات المشاركة في تحلل المركبات المشتقة من البكتيريا الزرقاء والطحالب بوفرة أقل في كل موقع، حيث تحتوي المواقع البركانية على المزيد من الإنزيمات التي تحلل المركبات البكتيرية الزرقاء والمواقع غير البركانية التي تحتوي على المزيد من الإنزيمات التي تحلل المركبات الطحلبية. أظهرت فحوصات النشاط أن العديد من فئات الإنزيمات هذه نشطة في هذه العينات. تحتوي المواقع ذات درجات الحرارة المرتفعة (> 80 درجة مئوية) على إنزيمات مماثلة خارج الخلية تتحلل بالكربون بغض النظر عن مقاطعتها، مما يشير إلى وجود عدد أقل تطوراً من المستهلكين الثانويين في هذه المواقع، وربما تكون مرتبطة بالمدى المحدود للمحيط الحيوي تحت السطحي في هذه المواقع ذات درجات الحرارة العالية. نستنتج أنه في الينابيع التي تقل درجة حرارتها عن 80 درجة مئوية، يدعم الإنتاج الكيميائي ذاتي التغذية الكائنات غيرية التغذية القادرة على تحطيم مجموعة واسعة من المركبات العضوية التي لا تختلف حسب المنطقة الجيولوجية، على الرغم من أن الذخيرة التصنيفية والتنفسية للمواد الكيميائية ذاتية التغذية والمواد غيرية التغذية تختلف اختلافًا كبيرًا عبر هذه المناطق.Translated Description (French)
Les communautés microbiennes dans les systèmes géothermiques terrestres contiennent souvent des chimiolithoautotrophes avec des distributions et des capacités métaboliques bien caractérisées. Cependant, la mesure dans laquelle la matière organique produite par ces chimiolitho-autotrophes soutient les hétérotrophes reste largement inconnue. Nous avons comparé ici l'abondance et l'activité des peptidases et des enzymes actives glucidiques (CAZymes) qui devraient être extracellulaires identifiées dans les assemblages métagénomiques de 63 sources en Amérique centrale et dans la marge convergente andine (backarc argentin de la zone volcanique centrale), ainsi que le centre d'épandage influencé par le panache en Islande. Tous les assemblages contiennent deux ordres de grandeur plus de peptidases que les CAZymes, ce qui suggère que les micro-organismes utilisent plus souvent des protéines pour leur acquisition de carbone et/ou d'azote au lieu de sucres complexes. Les familles CAZy les plus abondantes sont GH23 et CBM50, et les familles de peptidases les plus abondantes sont M23 et C26, qui dégradent toutes les quatre le peptidoglycane présent dans les cellules bactériennes. Cela implique que la communauté hétérotrophe s'appuie sur la biomasse cellulaire morte autochtone, plutôt que sur la matière végétale allochtone, pour la matière organique. Les enzymes impliquées dans la dégradation des composés dérivés des cyanobactéries et des algues sont moins abondantes sur tous les sites, les sites volcaniques ayant plus d'enzymes dégradant les composés cyanobactériens et les sites non volcaniques ayant plus d'enzymes dégradant les composés algaux. Les tests d'activité ont montré que bon nombre de ces classes d'enzymes sont actives dans ces échantillons. Les sites à haute température (> 80 °C) avaient des enzymes extracellulaires similaires de dégradation du carbone, quelle que soit leur province, ce qui suggère une population moins développée de consommateurs secondaires sur ces sites, probablement liée à l'étendue limitée de la biosphère souterraine dans ces sites à haute température. Nous concluons que dans les sources < 80°C, la production chimiolithoautotrophique soutient les hétérotrophes capables de dégrader un large éventail de composés organiques qui ne varient pas selon la province géologique, même si le répertoire taxonomique et respiratoire des chimiolithoautotrophes et des hétérotrophes diffère considérablement d'une région à l'autre.Translated Description (Spanish)
Las comunidades microbianas en los sistemas geotérmicos terrestres a menudo contienen quimiolitoautótrofos con distribuciones y capacidades metabólicas bien caracterizadas. Sin embargo, la medida en que la materia orgánica producida por estos quimiolitoautótrofos apoya a los heterótrofos sigue siendo en gran parte desconocida. Aquí comparamos la abundancia y la actividad de las peptidasas y las enzimas activas de carbohidratos (CAZymes) que se prevé que se identifiquen extracelularmente en asambleas metagenómicas de 63 manantiales en el margen convergente centroamericano y andino (arco posterior argentino de la Zona Volcánica Central), así como el centro de propagación influenciado por la pluma en Islandia. Todos los ensamblajes contienen dos órdenes de magnitud más peptidasas que las CAZymes, lo que sugiere que los microorganismos utilizan más a menudo proteínas para su adquisición de carbono y/o nitrógeno en lugar de azúcares complejos. Las familias CAZy con mayor abundancia son GH23 y CBM50, y las familias de peptidasas más abundantes son M23 y C26, las cuatro de las cuales degradan el peptidoglicano que se encuentra en las células bacterianas. Esto implica que la comunidad heterótrofa depende de la biomasa de células muertas autóctonas, en lugar de la materia vegetal alóctona, para obtener material orgánico. Las enzimas involucradas en la degradación de compuestos derivados de cianobacterias y algas se encuentran en menor abundancia en cada sitio, con sitios volcánicos que tienen más enzimas que degradan compuestos cianobacterianos y sitios no volcánicos que tienen más enzimas que degradan compuestos de algas. Los ensayos de actividad mostraron que muchas de estas clases de enzimas son activas en estas muestras. Los sitios de alta temperatura (> 80 ° C) tenían enzimas extracelulares degradantes de carbono similares independientemente de su provincia, lo que sugiere una población menos desarrollada de consumidores secundarios en estos sitios, posiblemente relacionada con la extensión limitada de la biosfera subsuperficial en estos sitios de alta temperatura. Concluimos que en manantiales < 80°C, la producción quimiolitoautótrofa soporta heterótrofos capaces de degradar una amplia gama de compuestos orgánicos que no varían según la provincia geológica, a pesar de que el repertorio taxonómico y respiratorio de quimiolitoautótrofos y heterótrofos difiere mucho en estas regiones.Files
journal.pone.0281277&type=printable.pdf
Files
(4.6 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:aa3dbff2e59118dc553a4f15f2157d00
|
4.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تدهور المواد العضوية المعقدة من قبل المستهلكين الثانويين في النظم الإيكولوجية الحرارية الأرضية الجوفية القائمة على التغذية الذاتية الكيميائية
- Translated title (French)
- Dégradation complexe de la matière organique par les consommateurs secondaires dans les écosystèmes géothermiques souterrains basés sur la chimiolithoautotrophie
- Translated title (Spanish)
- Degradación compleja de la materia orgánica por parte de consumidores secundarios en ecosistemas geotérmicos subterráneos basados en quimiolitoautotrofia
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4385972225
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0281277
References
- https://openalex.org/W1520829889
- https://openalex.org/W1579624063
- https://openalex.org/W1647055935
- https://openalex.org/W1770607689
- https://openalex.org/W1920457720
- https://openalex.org/W1980492268
- https://openalex.org/W1986968169
- https://openalex.org/W1989425728
- https://openalex.org/W1999899533
- https://openalex.org/W2000040814
- https://openalex.org/W2035719017
- https://openalex.org/W2068743885
- https://openalex.org/W2070484508
- https://openalex.org/W2095172074
- https://openalex.org/W2096093282
- https://openalex.org/W2099567869
- https://openalex.org/W2104278903
- https://openalex.org/W2104771299
- https://openalex.org/W2104869856
- https://openalex.org/W2107567909
- https://openalex.org/W2107772251
- https://openalex.org/W2112376828
- https://openalex.org/W2113679889
- https://openalex.org/W2122559203
- https://openalex.org/W2126790073
- https://openalex.org/W2126989850
- https://openalex.org/W2129502339
- https://openalex.org/W2131271579
- https://openalex.org/W2132741662
- https://openalex.org/W2138540827
- https://openalex.org/W2144138018
- https://openalex.org/W2146256301
- https://openalex.org/W2165036418
- https://openalex.org/W2170551349
- https://openalex.org/W2503062350
- https://openalex.org/W2563368575
- https://openalex.org/W2586753022
- https://openalex.org/W2607065559
- https://openalex.org/W2611833183
- https://openalex.org/W2615171815
- https://openalex.org/W2755069991
- https://openalex.org/W2770384115
- https://openalex.org/W2793132630
- https://openalex.org/W2803787045
- https://openalex.org/W2830955084
- https://openalex.org/W2859249641
- https://openalex.org/W2886307018
- https://openalex.org/W2911462662
- https://openalex.org/W2918452968
- https://openalex.org/W2920691960
- https://openalex.org/W2942483658
- https://openalex.org/W2946328923
- https://openalex.org/W2949521138
- https://openalex.org/W2950464960
- https://openalex.org/W2963745300
- https://openalex.org/W2966731664
- https://openalex.org/W2973792236
- https://openalex.org/W2977368063
- https://openalex.org/W2979433842
- https://openalex.org/W2990120526
- https://openalex.org/W3020822222
- https://openalex.org/W3048272826
- https://openalex.org/W3106566244
- https://openalex.org/W3112086562
- https://openalex.org/W3118418550
- https://openalex.org/W3131055609
- https://openalex.org/W3131175924
- https://openalex.org/W3134635338
- https://openalex.org/W3137387976
- https://openalex.org/W3155431361
- https://openalex.org/W3186277934
- https://openalex.org/W3214417083
- https://openalex.org/W4205207843
- https://openalex.org/W4205246014
- https://openalex.org/W4210522267
- https://openalex.org/W4212932721
- https://openalex.org/W4246995357
- https://openalex.org/W4282588297
- https://openalex.org/W4294308370
- https://openalex.org/W4306698396
- https://openalex.org/W4307679324
- https://openalex.org/W4320800236