Ammonia-Oxidizing Archaea in Marine Cold-Water Sponges - Radax, Regina (2011)
Thaumarchaea (Archaea) kommen in vielen terrestrischen und marinen Lebensräumen vor und sind oftmals mit marinen Schwämmen assoziiert. Basierend auf Metagenom- und Kultivierungsstudien hat sich gezeigt, dass viele (wenn nicht sogar alle) Thaumarchaea die Fähigkeit besitzen, mittels dem Enzym Ammoniummonooxygenase (AMO), Ammonium zu oxidieren. In dieser Studie untersuchen wir die Aktivität und Diversität der Thaumarchaea in Kaltwasserschwämmen aus Norwegen. Durch die Kombination von quantitativ-physiologischen und molekularen Analysen und die Messungen von Produktion und Verbrauch bestimmter Stickstoffverbindungen in Inkubationsexperimenten wurde Nitrifikation in Geodia barretti, Phakellia ventilabrum, Antho dichotoma und Tentorium semisuberites nachgewiesen und quantifiziert. Zugleich konnte mittels quantitativer PCR und fluoreszenter in situ Hybridisierung eine hohe Anzahl an AMO-kodierenden Archaea (bis zu 6*108 archaeale amoA Genkopien pro µg Nukleinsäure) detektiert werden. Im Schwamm G. barretti wurden zum ersten Mal Raten von Denitrifikation und anaerober Ammoniumoxidation nachgewiesen und somit wurde gezeigt, dass der gesamten Stickstoffkreislauf in marinen Schwämmen ablaufen kann. Um die Diversität und Funktion der aktiven Archaea (und Bakterien) in G. barretti genauer zu untersuchen, haben wir den “Doppel-RNS” Metatranskriptomik Ansatz angewandt, wobei revers-transkribierte RNS direkt sequenziert und anschließend bioinformatisch ausgewertet wurde. Von den ca. 260.000 RNS-tags der Pyrosequenzierung, waren etwa 110.000 von der kleinen Untereinheit der ribosomalen RNS, woraus ein detailliertes taxonomisches Profil von den drei Domänen des Lebens des Schwammsystems erstellt wurde. Innerhalb der transkribierten mRNS-tags haben wir eine große Anzahl an archaealen Genen identifiziert, die wahrscheinlich in den Transport und die Oxidation von Ammonium involviert sind. Einige dieser hoch transkribierten Gene sind in thaumarchaealen Genomen konserviert, aber deren eventueller Beitrag in Ammoniumoxidation war bisher noch nicht bekannt. Aus den Messungen von Nitrifikationsraten, zusammen mit hoher Transkription von amoA Genen in mehreren Schwammarten aus der mesopelagischen Zone des Nordatlantiks, schließen wir eine Schlüsselrolle der Archaea für den Stickstoffmetabolismus mariner Schwämme. Thaumarchaeota have been discovered not only in a diverse range of moderate terrestrial and marine habitats but also as frequent inhabitants of marine sponges. Based on metagenomic and cultivation studies, it has become evident over the past years that some (or all) thaumarchaea have the capability of oxidizing ammonia using the enzyme ammonia monooxygenase (Amo), a homologue of the well-known bacterial counterpart. Here we explore the activity and diversity of Thaumarchaeota in marine cold-water sponges of the Northern hemisphere (Norway) by combining quantitative physiological data and molecular analyses. By monitoring the production and consumption of nitrogen compounds in defined incubation experiments we have demonstrated and quantified nitrification in Geodia barretti, Phakellia ventilabrum, Tentorium semisuberites and Antho dichotoma. In parallel, large numbers of Amo-encoding archaea were detected by quantitative PCR (up to 6*108 archaeal amoA gene copies per µg of nucleic acids) and fluorescence in situ hybridisation, with bacterial amoA genes mostly being under the detection limit. We report denitrification and anammox rates in the sponge Geodia barretti beside nitrification activity by employing stable isotope labelling techniques, thus closing the nitrogen cycle in a marine sponge for the first time. We also identified the potential microbial lineages that are responsible for the activities. To obtain insights into the in situ diversity and function of active microbes in Geodia barretti we employed the “double-RNA” approach, which involved analysis of reverse-transcribed total RNA. Of the approximately 260,000 RNA-tags obtained by pyrosequencing, we assigned ≈110,000 tags to small subunit rRNA and derived a detailed community profile of all three domains of life. Around 50% of all 16S rRNA-tags were assembled and phylogeny of the abundant taxa was performed and compared to sequences of a 16S rRNA clone library of the same cDNA. Within the expressed sequence tags (mRNA), we identified a large number of archaeal genes that are potentially involved in transport and oxidation of ammonia. Some of these highly expressed genes are conserved in thaumarchaeal genomes but their potential function in ammonia oxidation was not previously recognized. From our studies we infer a key role for archaea in the nitrogen metabolism in marine sponges.