Linking the pylogeny of Thaumarchaea with their environmental and functional diversity - Eloy Alves, Ricardo Jorge (2018)
Die Entdeckung von Ammoniak-oxidierenden Archaeen (AOA) und die anschließende Formulierung eines eigenen Phylums (Thaumarchaeota) revolutionierte unser Verständnis des Stickstoffkreislaufs sowie der Biologie und Ökologie von Archaeen. Trotz ihrer Allgegenwärtigkeit und ökologischen Relevanz ist die ökologische Diversität von AOA zum Großteil unbeschrieben und über die funktionelle Bedeutung ihrer phylogenetischen und ökologischen Diversität ist wenig bekannt. Ebenso ist die phylogenetische und ökologische Kongruenz anderer mutmaßlicher thaumarchaealer Linien unklar. Meine Doktorarbeit zielte darauf ab, die Beziehungen zwischen phylogenetischer, ökologischer und funktioneller Diversität von Thaumarchaeen, insbesondere von AOA, und die Implikationen für deren Identifizierung und Bedeutung in der Natur zu charakterisieren. Dies wurde auf verschiedenen Ebenen durch multiple experimentelle und bioinformatische Ansätze untersucht, nämlich durch funktionelle und molekulare Analysen von AOA-Populationen sowie durch phylogenetische und Meta-Datenanalysen von AOA und anderen Thaumarchaeen. Zuerst untersuchte ich mögliche funktionelle Unterschiede in Bezug auf Nitrifikation und ökophysiologische Anpassungen zwischen AOA auf verschiedenen phylogenetischen Ebenen. Durch die Charakterisierung von AOA-Populationen und deren Aktivitäten in arktischen Böden, sowohl in situ als auch in Anreicherungskulturen, zeigte ich, dass verschiedene AOA-Linien unterschiedliche Nitrifikationsfähigkeiten aufweisen und erhielt Beweise für Ammoniakoxidation durch eine zuvor nicht charakterisierte AOA-Linie. Darüber hinaus trug ich zur Charakterisierung genetischer Merkmale bei, die metabolischen und ökophysiologischen Unterschieden zwischen eng verwandten marinen AOA zugrunde liegen. Zweitens führte ich eine umfassende phylogenetische Analyse der bekannten AOA-Diversität auf der Basis von amoA-Genen (kodieren die Untereinheit A des Schlüsselstoffwechselenzyms Ammoniak-Monooxygenase) durch und definierte eine neue Taxonomie, die zur Beschreibung der globalen Häufigkeit, der Verbreitung in der Umwelt, sowie zur Darlegung von Aktivitätsnachweisen und molekularen Signaturen von AOA verwendet wurde. Diese Meta-Analyse enthüllte mehrere neue ökologische und evolutionäre Muster der AOA-Diversität und stellte einen integrierten Rahmen dar, um AOA systematischzu untersuchen. Drittens untersuchte ich die Phylogenie und Ökologie der bereits charakterisierten Thaumarchaeen neu und trug dazu bei, die formale Taxonomie des Phylums Thaumarchaeota und der Klasse Nitrososphaeria (d.h. AOA) zu definieren. Darüber hinaus analysierte ich die globale Phylogenie und Umweltverteilung von nicht kultivierten, nicht nitrifizierenden Thaumarchaeen und trug zu der daraus folgenden Formulierung der neuen thaumarchaealen Klasse "Allothaumarchaea" bei. Die hier vorgestellte Arbeit bietet neue Einblicke in die Evolution, Ökologie und Aktivität von Thaumarchaeen und trägt wesentlich zu deren systematischen Identifizierung und Klassifizierung bei. Insbesondere weist meine Forschung auf eine größere funktionelle Heterogenität innerhalb der AOA und eine vielfältigere Ausbreitung der AOA in der Umwelt hin als bisher bekannt und betont die Wichtigkeit der Interpretation solcher biologischen Muster innerhalb von expliziten phylogenetischen Rahmenwerken. The discovery of ammonia-oxidising archaea (AOA) and subsequent proposal of the phylum Thaumarchaeota revolutionised our perception of the nitrogen cycle, and the biology and ecology of archaea. Despite their ubiquity and ecological relevance, most AOA diversity known from environmental surveys remains uncharacterised and little is known about the functional significance of their phylogenetic and environmental diversity. Likewise, the phylogenetic and environmental congruency of other putative thaumarchaeal lineages, beside AOA, remains unclear. My PhD research aimed to characterise the relationships between phylogenetic, environmental and functional diversity of thaumarchaea, especially AOA, and the implications for their identification and role in nature. This was investigated on different levels through multiple experimental and bioinformatic approaches, namely functional and molecular analyses of AOA populations, and phylogenetic and meta-data analyses of AOA and other thaumarchaea. First, I investigated potential functional differences among AOA on different phylogenetic levels, namely regarding nitrification and ecophysiological adaptations. By characterising AOA populations and activity in arctic soils, both in situ and in enrichment cultures, I show that distinct AOA lineages have different nitrification capabilities, and obtained evidence of ammonia oxidation by a previously uncharacterised AOA lineage. Additionally, I contributed to characterising genetic features underlying metabolic and ecophysiological differences between closely related marine AOA. Second, I performed a comprehensive phylogenetic analysis of the known AOA diversity based on amoA genes (encoding subunit A of the key metabolic enzyme ammonia monooxygenase) and defined a novel taxonomy, which was used to characterise the global frequency, environmental distribution, evidence for activity, and molecular signatures of AOA. This meta-analysis revealed several novel ecological and evolutionary patterns across AOA diversity, and provided an integrated framework to study AOA systematically. Third, I reassessed the phylogeny and ecology of characterised thaumarchaea, and contributed to defining the formal taxonomy of the phylum Thaumarchaeota and class Nitrososphaeria (i.e., AOA). Moreover, I analysed the global phylogeny and environmental distribution of uncultivated non-nitrifying thaumarchaea and contributed to the consequent proposal of the novel thaumarchaeal class ‘Allothaumarchaea’. The work presented here provides new insights into the evolution, ecology and activity of thaumarchaea, and widely contributes to their systematic identification and classification. In particular, it reveals a greater functional heterogeneity and more diverse environmental distribution of AOA than previously known, and emphasises the importance of interpreting such biological patterns within explicit phylogenetic frameworks.