Il metabolismo dello zolfo nei sedimenti di mangrovie marine subtropicali differisce fondamentalmente da altri habitat, come rivelato dall'SMDB

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8126 (2023) Citare questo articolo

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Il sequenziamento del metagenoma Shotgun offre l’opportunità di recuperare popolazioni rare sottoesplorate e identificare percorsi biochimici difficili da chiarire. Tuttavia, le informazioni sui geni dello zolfo, comprese le loro sequenze, sono sparse nei database pubblici. Qui presentiamo SMDB (https://smdb.gxu.edu.cn/), un database curato manualmente di geni dello zolfo basato su una revisione approfondita della letteratura scientifica e del database ortologico. L'SMDB conteneva un totale di 175 geni e copriva 11 processi del metabolismo dello zolfo con 395.737 sequenze rappresentative affiliate a 110 phyla e 2340 generi di batteri/archaea. L'SMDB è stato applicato per caratterizzare il ciclo dello zolfo di cinque habitat e confrontare la diversità microbica dei sedimenti di mangrovie con quella di altri habitat. La struttura e la composizione delle comunità di microrganismi e dei geni dello zolfo erano significativamente diverse tra i cinque habitat. I nostri risultati mostrano che la diversità dei microrganismi alfa nei sedimenti di mangrovie era significativamente più elevata rispetto ad altri habitat. I geni coinvolti nella riduzione dissimilativa del solfato erano abbondanti nelle mangrovie marine subtropicali e nei sedimenti delle acque profonde. I risultati del modello di comunità neutrale hanno mostrato che la dispersione microbica era maggiore nell’ecosistema marino delle mangrovie rispetto ad altri habitat. Il Flavilitoribacter, un microrganismo che metabolizza lo zolfo, diventa un biomarcatore affidabile nei cinque habitat. SMDB aiuterà i ricercatori ad analizzare in modo efficiente i geni del ciclo dello zolfo dalla metagenomica.

I microrganismi svolgono un ruolo essenziale nel ciclo dello zolfo, che determina i composti di trasformazione dello zolfo e il loro destino nell'ambiente1. I composti dello zolfo sono abbondanti negli ambienti naturali e un enorme deposito di solfati e solfuri si trova negli ecosistemi marini2. Il ciclo dello zolfo, guidato principalmente dall'ossidazione dello zolfo e dalla riduzione dei solfati, è strettamente intrecciato con altri cicli biochimici (ad esempio carbonio, azoto, fosforo) con implicazioni di vasta portata per l'ecosistema ambientale3. Sulla base di rapporti precedenti, i batteri solfato-riduttori (SRB) svolgono un ruolo cruciale nella precipitazione dei metalli pesanti4, degli inquinanti5 e nella biodegradazione degli idrocarburi6. Pertanto, la caratterizzazione dei geni del ciclo dello zolfo e dei microrganismi che metabolizzano lo zolfo è importante per comprendere i processi del ciclo dello zolfo negli ambienti.

Il ciclo dello zolfo è un complesso processo biochimico nell'ambiente, costituito da trasformazioni dello zolfo inorganico e organico. Le trasformazioni inorganiche (vale a dire, la riduzione canonica del solfato dissimilatorio [DSR] e la riduzione del solfato assimilatorio [ASR]) sono state ben studiate come descritto nello studio precedente7. Ad esempio, la composizione delle comunità di microrganismi ha mostrato che i Deltaproteobatteri erano la classe dominante di SRB e che il percorso dell’ASR era un’importante riduzione dei solfati in un bioreattore a membrana con biofilm su vasta scala per il trattamento delle acque reflue tessili7. Le trasformazioni dello zolfo organico hanno un ruolo significativo nel ciclo dello zolfo, data l'abbondanza di zolfo organico nell'ecosistema ambientale8. La ricerca precedente si è concentrata sulle trasformazioni dello zolfo inorganico, pertanto l'impatto dei composti organici dello zolfo sugli ecosistemi deve ancora essere esplorato3. I composti organosulfurei erano abbondanti nell'ambiente marino, come il dimetilsulfoniopropionato (DMSP)9, i solfonati3, gli esteri solfati3 e il metantiolo (MeSH)10. Il prodotto di degradazione enzimatica del DMSP (dimetilsolfuro [DMS]) può provocare il riscaldamento globale9. I solfonati rappresentano una prevalenza ecologica decisiva per lo scambio energetico tra microbi autotrofi ed eterotrofi, indicando l'importanza del metabolismo dello zolfo organico nell'ambiente11. Pertanto, è fondamentale sviluppare le capacità per ottenere il ciclo completo dello zolfo tramite tecnologie avanzate.

In precedenza, sono stati compiuti sforzi considerevoli per caratterizzare i processi del ciclo dello zolfo analizzando geni chiave, come la solfito reduttasi dissimilatoria (dsrB)12, l'adenilato solfato reduttasi (aprA)13 e la tiosulfoidrolasi (soxB)14. Data la necessità di primer di DNA adatti per molti geni dello zolfo, la reazione a catena della polimerasi (PCR) produce solitamente risultati sperimentali imprecisi15,16. Tuttavia, il sequenziamento del metagenoma shotgun offre l'opportunità di recuperare il ciclo dello zolfo sottoesplorato17. I potenziali geni coinvolti nel ciclo dello zolfo sono stati annotati per l'analisi metagenomica utilizzando il database ortologico18. Tuttavia, un database ortologico completo e affidabile è essenziale per un'annotazione accurata dei geni funzionali. Pertanto, i risultati dell'analisi metagenomica sono fortemente influenzati dalla selezione dei database ortologici.