Methaanproducenten verdragen zuurstof

Onderzoekers ontcijferen overlevingsstrategieën van methaanproducenten uit rijstvelden

Gemengde cultuur waaruit het volledige genoom van een methaanproducerend RC-I-archeon werd gereconstrueerd door moleculair biologische methoden. De verschillende leden van de gemengde cultuur werden gedetecteerd door hybridisatie met specifieke probes voor RC-I archaea (roodachtige fluorescerende cellen) en voor bacteriën (groenachtige fluorescerende cellen). De schaal is 10 micron. © MPI voor terrestrische microbiologie
voorlezen

Tot een kwart van de methaanemissies in de wereld komt van ondergelopen rijstvelden. Het broeikasgas wordt geproduceerd door verschillende groepen micro-organismen waarvoor zuurstof in de lucht levensbedreigend is. In de wortels van rijstplanten is de zogenaamde Rice Cluster I (RC-I) archaea recentelijk geïdentificeerd als de belangrijkste producent van methaan. Wetenschappers hebben nu het complete genoom van het nieuwe methaan "spit" gedecodeerd en de voorheen onbekende overlevingsstrategieën van de micro-organismen onthuld. Zoals de onderzoekers in het huidige nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Science melden, zijn deze mechanismen een specifieke aanpassing aan de zuurstofrijke wortelruimte van rijstplanten.

Na koolstofdioxide is methaan het broeikasgas met de grootste impact op het wereldwijde klimaat. De vorming en afgifte ervan vindt plaats in geologische en biologische processen. Het belangrijkste biologische proces van methaanproductie, methanogenese, is tegelijkertijd het energiemetabolisme van micro-organismen, de zogenaamde methanogene archaea. Ze vormen methaan door acetaat tot methaan en koolstofdioxide te splitsen of door koolstofdioxide met waterstof tot methaan te reduceren.

Rijstvelden als methaanwerpers

Een belangrijke bron van atmosferisch methaan zijn rijstvelden, waar het wordt gevormd in de bodem en in het wortelgebied van rijstplanten. Het methaan wordt uitgestoten via een speciaal weefsel van de rijstplant, de aerenchym. Lange tijd was het onbekend welke micro-organismen eigenlijk verantwoordelijk zijn voor de methaanproductie in het wortelgebied van de rijstplant. Marburg Max Planck-onderzoekers hebben onlangs aangetoond dat ze methanogene archaea zijn van de zogenaamde Rice Cluster I (RC-I). Ze lijken primair verantwoordelijk te zijn voor de wereldwijde methaanemissies van rijstvelden.

In tegenstelling tot andere goed gekarakteriseerde groepen onder de methanogene archaea, zoals de Methanosarcinales en Methanobacteriales, heeft RC-I-Archaea tot nu toe geen geïsoleerde vertegenwoordigers beschikbaar als zuivere culturen. Daarom was er weinig bekend over hun fysiologische vaardigheden en hun aanpassingsstrategieën. Een poging om RC-I Archaeen te isoleren van rijstveldgrond resulteerde in een gemengde microbiële cultuur (MRE50), waarin RC-I archaea ten minste 50 tot 60 procent uitmaakt. De andere leden van deze gemengde cultuur zijn exclusief leden van het domein Bacteriën.

Volledige genoomsequentie opgehelderd

In de huidige studie hebben wetenschappers van de Max Planck Institutes for Terrestrial Microbiology in Marburg en voor moleculaire genetica in Berlijn nu de complete genoomsequentie ontdekt van een RC-I-archeon dat vaak wordt vertegenwoordigd in de gemengde cultuur MRE50 rt. In de regel is een zuivere cultuur en dus een homogene inventaris van genetische informatie het uitgangspunt voor de analyse van een volledig microbieel genoom. Aangezien er echter geen zuivere cultuur beschikbaar was in het geval van RC-I-archaea, diende de volledige genetische informatie van gemengde cultuur MRE50 als een startpunt voor het ontcijferen van het volledige RC-I-genoom. tonen

Daarna bestaat het genoom van het RC-I-archeon uit 3, 2 miljoen basenparen en codeert voor 3.103 eiwitten. De eiwitten kunnen onder andere worden toegewezen aan het methanogene metabolisme, waarbij methaan uitsluitend wordt geproduceerd door de reductie van koolstofdioxide met waterstof. Enzymen voor het gebruik van alternatieve methanogene voedingsstoffen worden niet gecodeerd door het RC-I-genoom. Het archeologisch RC-I moet daarom waterstof (hydrogenotroof) worden genoemd. Acetaat kan echter worden geassimileerd als een koolstofbron voor de synthese van celcomponenten.

Vijandige zuurstof

Methanogene archaea kan alleen methaan en bijbehorende levensenergie produceren onder strikte afwezigheid van zuurstof. De aanwezigheid van zuurstof is daarom meestal extreem vijandig voor het leven. Dit laatste is echter niet van toepassing op RC-I archaea. Het RC-I-genoom codeert voor enzymatische mechanismen die tot op heden uniek zijn voor methanogene archaea en deze in staat stellen te overleven in een zuurstofhoudende omgeving. Deze mechanismen omvatten een uitgebreide reeks enzymen die snel reactieve zuurstofverbindingen, zoals het superoxideanion of waterstofperoxide, ontgiften. Deze verbindingen zijn uiterst giftig voor levende cellen.

In aanwezigheid van atmosferische zuurstof lijken de wetenschappers in de wetenschap, RC-I-Archaea, snel over te schakelen naar een fermentatiemetabolisme dat voldoende koolhydraten gebruikt om levensonderhoudende energie te ondersteunen. Deze vaardigheden zijn specifieke aanpassingen aan het leven in de wortelruimte van de rijstplant. De aerenchym van de rijstplanten staat niet alleen de emissie van methaan toe, maar ook de diffusie van atmosferische zuurstof in de wortelruimte, zodat daar zuurstofvrije en zuurstofhoudende situaties snel kunnen wisselen. Verdere specifieke aanpassingen van het RC-I-archeon aan deze habitat zijn het alternatieve vermogen om stikstof te assimileren en het waarschijnlijke vermogen om sulfaat als een zwavelbron te gebruiken.

Zuurstoftolerantie zorgt voor overlevingsvoordeel

Het vermogen van de RC-I-archaea om de aanwezigheid van zuurstof uit de lucht te verdragen lijkt geen overlevingsvoordeel te bieden voor deze groep organismen, niet alleen in de rijstvelden. Aldus zijn RC-I-archaea gedetecteerd door niet-gekweekte studies, vooral in die methaanproducerende ecosystemen waar zuurstofvrije en zuurstofhoudende omstandigheden elkaar afwisselen. Naast rijstvelden zijn dit tropische stranden, moerasgebieden van de boreale zone en ook periodiek ondergelopen oevers.

Het gedecodeerde RC-I-genoom biedt nu de basis voor het ontwikkelen van methoden voor moleculaire biologie voor het volgen van de activiteit van RC-I-archaea op hun natuurlijke locaties. In hoeverre het op de lange termijn mogelijk is om de methaanproductie van de RC-I-archaea gericht te verminderen en dus de methaanemissies van rijstvelden en andere locaties te verminderen, kunnen de onderzoekers op dit moment nog niet zeggen,

Het project werd ondersteund door de Max Planck Society en het Federale Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF).

(MPG, 25.07.2006 - DLO)