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Exploring the diversity of ammonia oxidizing archaea in pristine arctic and agricultural soils
Marina Monserrat i Diez
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Molecular Microbiology, Microbial Ecology and Immunobiology
Betreuer*in
Christa Schleper
Mitbetreuer*in
Melina Kerou
DOI
10.25365/thesis.72763
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-14624.16844.922112-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Stickstoff ist ein wesentliches Element für alle Lebensformen, aber seine Verfügbarkeit ist in den meisten Umgebungen begrenzt. Infolge menschlicher Aktivitäten werden große Mengen reaktiver Stickstoffarten in das System eingebracht, wodurch der Stickstoffkreislauf gestört wird und zahlreiche Probleme entstehen, wie die Emission des starken Treibhausgases N2O. Dieses Ungleichgewicht hat somit direkte Auswirkungen auf die aktuelle globale Klimakrise. Ammoniak-oxidierende Archaeen (AOA) spielen eine entscheidende Rolle bei der mikrobiellen N-Transformation, da sie den ersten Schritt des Nitrifikationsprozesses durchführen und ihre Aktivität somit direkte Auswirkungen auf die N-Kreislaufprozesse hat. Die Ökologie der AOA wurde häufig im Zusammenhang mit ihren nitrifizierenden bakteriellen Gegenstücken (Ammoniak oxidierende Bakterien, AOB) untersucht, und nur wenige Studien konzentrieren sich auf die Vielfalt und die Verteilung der AOA in der Umwelt, obwohl sie die am weitesten verbreitete archäische Gruppe in der Umwelt darstellen. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde eine hochaufgelöste Phylogenie für AOA auf der Grundlage der Alpha-Untereinheit der Ammoniak-Monooxygenase (amoA) erstellt, die unterschiedliche Umweltmuster unter den verschiedenen AOA-Kladen erkennen ließ. Untersuchungen der AOA-Diversität auf der Grundlage des amoA-Gens können Informationen über die Ökophysiologie und die potenziellen Funktionen in den Ökosystemen liefern, was für diese Gruppe von Organismen besonders wertvoll ist, da ihre Kultivierung sehr schwierig ist. Hier haben wir die AOA-Gemeinschaften aus landwirtschaftlich genutzten Böden und Böden der arktischen Tundra durch 16S rRNA-Gen-Amplikon-Sequenzanalyse charakterisiert. Anschließend wurden die Sequenzvarianten mit Hilfe einer kürzlich entwickelten Methode, die die Informationen der 16S rRNA-Gensequenzen mit den entsprechenden amoA-Gensequenzen verknüpft, in AOA-Kladen eingeteilt. Im Falle der landwirtschaftlichen Böden haben wir auch die Nitrifikantengemeinschaft mittels qPCR quantifiziert. Schließlich identifizierten wir die wichtigsten umweltbedingten Faktoren für die Verteilung der AOA-Klone. Unsere Ergebnisse weisen auf unterschiedliche Verteilungsmuster der verschiedenen AOA-Mitglieder in den beiden untersuchten Ökosystemen hin. In den landwirtschaftlich genutzten Böden wurde festgestellt, dass die Nitrifikantengemeinschaft von AOA dominiert wird, die in einigen Proben 19 % der gesamten prokaryotischen Gemeinschaft ausmachen. Die wichtigsten Kladen, die in den landwirtschaftlichen Böden nachgewiesen wurden, gehörten zu den NS-Zeta- und NS-Alpha-Kladen. Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass NS-Alpha anscheinend Standorte bevorzugt, die weniger durch landwirtschaftliche Aktivitäten gestört werden und eher oligotroph sind, während NS-Zeta eher an landwirtschaftlich genutzten Standorten vorherrscht. Darüber hinaus hatten der pH-Wert und der Wassergehalt des Bodens offenbar einen erheblichen Einfluss auf die Struktur der AOA-Gemeinschaft. In den Böden der arktischen Tundra weist die AOA-Gemeinschaft in der zirkumpolaren Region eine geringe Diversität auf und wird von zwei Phylotypen dominiert, die zur NS-Gamma- und zur NS-Zeta-Klade gehören. Die Korrelationsanalyse zu den Umweltdaten zeigte den oligotrophen Charakter der gesamten AOA-Gemeinschaft, wobei NS-Gamma eine stärkere Präferenz für nährstoffarme Umgebungen zu haben scheint als NS-Zeta. Darüber hinaus haben wir alternative Methoden für den Nachweis und die Klassifizierung der amoA-Kladen validiert, indem wir das weit verbreitete 16S rRNAmarker-Gen verwendeten. Diese Methode erweitert die Möglichkeiten, Informationen über die Ökophysiologie der verschiedenen Kladen in den AOA-Diversitätsstudien zu erhalten, um ihre Ökologie und Verbreitung besser zu verstehen.
Abstract
(Englisch)
Nitrogen is an essential element for all forms of life but its availability is limited in most environments. As a result of human activities, large amounts of reactive N-species are introduced into the system, disrupting the N-cycle and causing multiple issues, such as the emission of the strong greenhouse gas N2O. Thus, this unbalance has direct consequences for the actual global climatic crisis. Ammonia-oxidizing archaea (AOA) play a crucial role in the microbial N-transformations by performing the first step of the nitrification process and thus, their activity impacts directly N-cycling processes. The ecology of AOA has been often studied in relation to their nitrifying bacterial counterparts (ammonia oxidizing bacteria, AOB), and few studies focus on the diversity and environmental distribution within AOA, although it represents the most widespread archaeal group in the environment. A recent study generated a highly resolved phylogeny for AOA based on the alpha subunit of ammonia monooxygenase (amoA), which revealed distinct environmental patterns among the different AOA clades. Indeed, AOA diversity studies based on the amoA gene can provide information about the ecophysiologies and potential functions in the ecosystems, particularly valuable for this group of organisms since their cultivation is highly challenging. Here we characterized the AOA communities from farm soils and arctic tundra soils, through 16S rRNA gene amplicon sequencing analysis. Subsequently, the variant sequences were assigned into AOA clades, using a recently developed method that links the information of the 16S rRNA gene sequences with their corresponding amoA gene sequences. In the case of the farm soils, we also quantified the nitrifier community by qPCR. Finally, we identified the main environmental drivers behind the AOA clade distribution. Our results indicate distinct patterns of distribution of the different members of AOA in both studied ecosystems. In the farm soils, we saw that the nitrifier community is dominated by AOA, which in some samples reaches 19% of the total prokaryotic community. The main clades detected in the farm soils belonged to the NS-Zeta and NS-Alpha clades. Our observations suggest that NS-Alpha seems to prefer sites less disturbed by agricultural activities, that tend to be more oligotrophic, while NS-Zeta tends to dominate more in sites agriculturally exploited. Furthermore, pH and the soil water content appeared to have a significant effect on the AOA community structure. In the arctic tundra soils, the AOA community has a low diversity along the circumpolar area and it is dominated by two phylotypes, belonging to the NS-Gamma and the NS-Zeta clade. Correlation analysis to the environmental data revealed the oligotrophic character of the overall AOA community, with NS-Gamma appearing to have a stronger preference for nutrient poor environments than NS-Zeta. Additionally, we validated alternative methods for the detection and classification of the amoA clades, by using the broadly used 16S rRNAmarker gene. This method broadens the options to obtain information about the ecophysiologies of the different clades in the AOA diversity studies to better understand their ecology and distribution.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
ammoniakoxidierende Archaeen amoA-Taxonomie AOA-Kladen archaeische Bodengemeinschaften arktische Tundra Ackerland
Schlagwörter
(Englisch)
ammonia oxidizing archaea amoA taxonomy AOA clades archaeal soil communities arctic tundra farmlands
Autor*innen
Marina Monserrat i Diez
Haupttitel (Englisch)
Exploring the diversity of ammonia oxidizing archaea in pristine arctic and agricultural soils
Paralleltitel (Deutsch)
Erforschung der Vielfalt von ammoniakoxidierenden Archaeen in unberührten arktischen und landwirtschaftlichen Böden
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
87 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Christa Schleper
Klassifikation
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC16706687
Utheses ID
65413
Studienkennzahl
UA | 066 | 830 | |