A New Methanogenic, Hydrogenotrophic Archaeon from Spitsbergen Permafrost

V. E. Trubitsyn; Трубицын В. Э.; N. E. Suzina; Сузина Н. Е.; E. M. Rivkina; Ривкина Е. М.; V. A. Shcherbakova; Щербакова В. А.

doi:10.31857/S002636562260064X

Новая метанобразующая водородиспользующая архея из многолетнемерзлых отложений о. Западный Шпицберген

Авторы: Трубицын В.Э.¹, Сузина Н.Е.¹, Ривкина Е.М.², Щербакова В.А.¹
Учреждения:
1. Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина, ФИЦ “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”
2. Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения, ФИЦ “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”
Выпуск: Том 92, № 2 (2023)
Страницы: 135-145
Раздел: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
URL: https://journals.rcsi.science/0026-3656/article/view/138156
DOI: https://doi.org/10.31857/S002636562260064X
EDN: https://elibrary.ru/ATFLJN
ID: 138156

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Из образца многолетнемерзлых отложений о. Западный Шпицберген выделен новый штамм метанобразующих архей, названный нами VT^T. Клетки штамма представлены изогнутыми неподвижными палочками размером 2.7‒5.3 × 0.3 мкм. Оптимальными условиями для роста были температура 20°C, pH 6.6, содержание NaCl 0.03‒0.05 M. Единственным используемым субстратом являлась газовая смесь H₂/CO₂. В присутствии H₂/CO₂ рост стимулировался добавлением дрожжевого экстракта и жидкости рубца. По результатам филогенетического анализа последовательностей гена 16S рРНК штамм VT^T отнесен к роду Methanobacterium с ближайшим родственником M. lacus 17A1^T (сходство 97.02%). Сравнение секвенированного и собранного генома штамма VT^T с геномами других видов рода подтвердило эти данные, а также показало их отличия на видовом уровне. По результатам проведенных исследований мы полагаем, что выделенный нами метаноген является представителем нового вида метанообразующих архей, для которого предложено название Methanobacterium spitsbergensе sp. nov. с типовым штаммом VT^T (=VKM B-3566^T = JCM 39284^T).

Ключевые слова

метанобразующие археи, Methanobacterium spitsbergensе, Западный Шпицберген, многолетнемерзлые отложения, филогенетический анализ, секвенирование генома

Список литературы

Демидов Н.Э., Караевская Е.С., Веркулич С.Р., Никулина А.Л., Саватюгин Л.М. Первые результаты мерзлотных наблюдений на криосферном полигоне Российского научного центра на архипелаге Шпицберген (РНЦШ) // Проблемы Арктики и Антирктики. 2016. Т. 4. № 110. С. 67–79.
Demidov N.E., Karaevskaya E.S., Verkulich S.R., Nikulina A.L., Savatyugin L.M. First results of permafrost monitoring on the cryospheric site of Russian Scientifi c Center on Spitsbergen (RSCS) // Problemy Arktiki i Antarktiki [Arctic and Antarctic Problems]. 2016. V. 4. № 110. P. 67–79 (in Russian).
Кадников В.В., Марданов А.В., Белецкий А.В., Ивасенко Д.А., Пименов Н.В., Карначук О.В., Равин Н.В., Франк Ю.А. Вариабельность состава микробного сообщества резервуара подземных термальных вод в Западной Сибири // Микробиология. 2017. Т. 86. С. 739–747.
Kadnikov V.V., Mardanov A.V., Beletsky A.V., Ivasenko D.A., Pimenov N.V., Karnachuk O.V., Ravin N.V., Frank Y.A. Variability of microbial community composition of the Western Siberia underground thermal waters reservoir // Microbiology (Moscow). 2017. V. 86. P. 765–772.
Каллистова А.Ю. Меркель А.Ю., Тарновецкий И.Ю., Пименов Н.В. Образование и окисление метана прокариотами // Микробиология. 2017. Т. 86. С. 661–683.
Kallistova A.U., Merkel A.U., Tarnovetskiy I.U., Pimenov N.V. Formation and oxidation of methane by prokaryotes // Microbiology (Moscow). 2017. V. 86. P. 671‒691.
Трубицын В.Э., Рыжманова Я.В., Захарюк А.Г., Ошуркова В.И., Лауринавичюс К.С., Спирина Е.В., Щербакова В.А., Ривкина Е.М. Разнообразие культивируемых прокариот в образцах многолетнемерзлых отложений острова Западный Шпицберген // Криосфера Земли. 2019. Т. 23. № 6. С. 37–46.
Trubitsyn V.E., Rhyzhmanova Y.V., Zaharuk A.G., Oshurkova V.I., Laurinavichius K.S., Spirina E.V., Shcherbakova V.A., Rivkina E.M. Diversity of cultured prokaryotes in permafrost sediment samples of West Spitsbergen Island // Earth’s Cryosph. 2019. V. 23. № 6. P. 37–46 (in Russian).
Borrel G., Joblin K., Guedon A., Colombet J., Tardy V., Lehours A.-C., Fonty G. Methanobacterium lacus sp. nov., isolated from the profundal sediment of a freshwater meromictic lake // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2012. V. 62. P. 1625–1629.
Bryant M.P., Boone D.R. Emended description of strain MST (DSM 800T), the type strain of Methanosarcina barkeri // Int. J. Syst. Bacteriol. 1987. V. 37. P. 169–170.
Buongiorno J., Herbert L.C., Wehrmann L.M., Michaud A.B., Laufer K., Røy H., Jørgensen B.B., Szynkiewicz A., Faiia A., Yeager K.M., Schindler K., Lloyd K.G. Complex microbial communities drive iron and sulfur cycling in Arctic fjord sediments // Appl. Environ. Microbiol. 2019. V. 85. e00949-19. https://doi.org/10.1128/AEM.00949-19
Cadillo-Quiroz H., Bräuer S.L., Goodson N., Yavitt J.B., Zinder S.H. Methanobacterium paludis sp. nov. and a novel strain of Methanobacterium lacus isolated from northern peatlands // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2014. V. 64. P. 1473–1480.
DeLong E.F. Archaea in coastal marine environments // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1992. V. 89. P. 5685–5689.
Garcia J.L., Patel B.K.C., Ollivier B. Taxonomic, phylogenetic, and ecological diversity of methanogenic Archaea // Anaerobe. 2000. V. 6. P. 205–226.
Hansen A.A., Herbert R.A., Mikkelsen K., Jensen L.L. Viability, diversity and composition of the bacterial community in a high Arctic permafrost soil from Spitsbergen, Northern Norway // Environ. Microbiol. 2007. V. 9. P. 2870–2884.
Hugelius G., Strauss J., Zubrzycki S., Harden J.W., Schuur E.A.G., Ping C.L., Schirrmeister L., Grosse G., Michaelson G.J., Koven C.D., O’Donnell J.A., Elberling B., Mishra U., Camill P., Yu Z., Palmtag J., Kuhry P. Estimated stocks of circumpolar permafrost carbon with quantified uncertainty ranges and identified data gaps // Biogeosciences. 2014. V. 11. P. 6573–6593.
Hultman J., Waldrop M.P., Mackelprang R., David M.M., McFarland J., Blazewicz S.J., Harden J., Turetsky M.R., M-cGuire A.D., Shah M.B., VerBerkmoes N.C., Lee L.H., Mavrommatis K., Jansson J.K. Multi-omics of permafrost, active layer and thermokarst bog soil microbiomes // Nature. 2015. V. 521. P. 208–212.
Humlum O., Instanes A., Sollid J.L. Permafrost in Svalbard: A review of research history, climatic background and engineering challenges // Polar Res. 2003. V. 22. P. 191–215.
Hungate R.E. Chapter IV. A roll tube method for cultivation of strict anaerobes // Methods in Microbiology. 1969. P. 117–132.
Jørgensen B.B., Laufer K., Michaud A.B., Wehrmann L.M. Biogeochemistry and microbiology of high Arctic marine sediment ecosystems – case study of Svalbard fjords // Limnol. Oceanogr. 2021. V. 66. P. S273–S292.
Knoblauch C., Jørgensen B.B., Harder J. Community size and metabolic rates of psychrophilic sulfate-reducing bacteria in Arctic marine sediments // Appl. Environ. Microbiol. 1999. V. 65. P. 4230–4233.
Krivushin K.V., Shcherbakova V.A., Petrovskaya L.E., Rivkina E.M. Methanobacterium veterum sp. nov., from ancient Siberian permafrost // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2010. V. 60. P. 455–459.
Ma K., Liu X., Dong X. Methanobacterium beijingense sp. nov., a novel methanogen isolated from anaerobic digesters // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2005. V. 55. P. 325–329.
Marmur J. A procedure for the isolation of deoxyribonucleic acid from micro-organisms // J. Mol. Biol. 1961. V. 3. P. 208–218.
Oshurkova V., Troshina O., Trubitsyn V., Ryzhmanova Y., Bochkareva O., Shcherbakova V. Characterization of Methanosarcina mazei JL01 isolated from holocene arctic permafrost and study of the archaeon cooperation with bacterium Sphaerochaeta associata GLS2T // The 1st International Electronic Conference on Microbiology. Basel Switzerland: MDPI, 2020. P. 4.
Ran Y., Li X., Cheng G., Zhang T., Wu Q., Jin H., Jin R. Distribution of permafrost in China: An overview of existing permafrost maps // Permafr. Periglac. Process. 2012. V. 23. P. 322–333.
Rivkina E., Petrovskaya L., Vishnivetskaya T., Krivushin K., Shmakova L., Tutukina M., Meyers A., Kondrashov F. Metagenomic analyses of the late Pleistocene permafrost – additional tools for reconstruction of environmental conditions // Biogeosciences. 2016. V. 13. P. 2207–2219.
Schirmack J., Mangelsdorf K., Ganzert L., Sand W., Hillebrand-Voiculescu A., Wagner D. Methanobacterium movilense sp. nov., a hydrogenotrophic, secondary-alcohol-utilizing methanogen from the anoxic sediment of a subsurface lake // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2014. V. 64. P. 522–527.
Schuur E.A.G., McGuire A.D., Schädel C., Grosse G., Harden J.W., Hayes D.J., Hugelius G., Koven C.D., Kuhry P., Lawrence D.M., Natali S.M., Olefeldt D., Romanovsky V.E., Schaefer K., Turetsky M.R., Treat C.C., Vonk J.E. Climate change and the permafrost carbon feedback // Nature. 2015. V. 520. P. 171–179.
Serrano P., Hermelink A., Lasch P., de Vera J.-P., Konig N., Burckhardt O., Wagner D. Confocal Raman microspectroscopy reveals a convergence of the chemical composition in methanogenic archaea from a Siberian permafrost-affected soil // FEMS Microbiol. Ecol. 2015. V. 91. fiv126.
Shcherbakova V., Rivkina E., Pecheritsyna S., Laurinavichius K., Suzina N., Gilichinsky D. Methanobacterium arcticum sp. nov., a methanogenic archaeon from Holocene Arctic permafrost // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2011. V. 61. P. 144–147.
Shcherbakova V.A., Chuvilskaya N.A., Rivkina E.M., Pecheritsyna S.A., Laurinavichius K.S., Suzina N.E., Osipov G.A., Lysenko A.M., Gilichinsky D.A., Akimenko V.K. Novel psychrophilic anaerobic spore-forming bacterium from the overcooled water brine in permafrost: description Clostridium algoriphilum sp. nov. // Extremophiles. 2005. V. 9. P. 239–246.
Simankova M.V., Kotsyurbenko O.R., Lueders T., Nozhevnikova A.N., Wagner B., Conrad R., Friedrich M.W. Isolation and characterization of new strains of methanogens from cold terrestrial habitats // Syst. Appl. Microbiol. 2003. V. 26. P. 312–318.
Singh P., Singh S.M., Singh R.N., Naik S., Roy U., Srivastava A., Bölter M. Bacterial communities in ancient permafrost profiles of Svalbard, Arctic // J. Basic Microbiol. 2017. V. 57. P. 1018–1036.
Trubitsyn V., Rivkina E., Shcherbakova V. Draft genome sequence of a methanogenic archaeon from West Spitsbergen permafrost // Microbiol. Resour. Announc. 2022. V. 11. https://doi.org/10.1128/mra.00938-21
Vishnivetskaya T.A., Buongiorno J., Bird J., Krivushin K., Spirina E.V., Oshurkova V., Shcherbakova V.A., Wilson G., Lloyd K.G., Rivkina E.M. Methanogens in the Antarctic Dry Valley permafrost // FEMS Microbiol. Ecol. 2018. V. 94. https://doi.org/10.1093/femsec/fiy109
Wagner D., Liebner S. Methanogenesis in Arctic permafrost habitats // Handbook of Hydrocarbon Microbiology: Microbial Interactions with Hydrocarbons, Oils, Fats and Related Hydrophobic Substrates and Products. Section B: The Microbiology of Production of Hydrocarbons, Lipids / Ed. Timmis K.N. Springer, 2010. P. 663–666.
Wagner D., Schirmack J., Ganzert L., Morozova D., Mangelsdorf K. Methanosarcina soligelidi sp. nov., a desiccation- and freeze-thaw-resistant methanogenic archaeon from a Siberian permafrost-affected soil // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2013. V. 63. P. 2986–2991.
Xue Y., Jonassen I., Øvreås L., Taş N. Metagenome-assembled genome distribution and key functionality highlight importance of aerobic metabolism in Svalbard permafrost // FEMS Microbiol. Ecol. 2020. V. 96. fiaa057.