Archaea urn:nbn:de:hebis:04-z2014-04786 Methanomassiliicoccales Arthropoda Life sciences Biowissenschaften, Biologie Biologie Methanogenic archaea are strict anaerobes that occur in diverse environments like marine and freshwater sediments, soils, hot springs, sewage sludge and the digestive tracts of animals and humans. Methanogens belong to the phylum Euryarchaeota, which comprises both methanogenic and non-methanogenic orders and many lineages of uncultivated archaea with unknown properties. By a comprehensive phylogenetic analysis, we connected the 16S rRNA gene sequences of one of these deep-branching lineages, distantly related to Thermoplasmatales, to a large clade of unknown mcrA gene sequences, a functional marker for methanogenesis. The analysis suggested that both genes stem from the same organism, indicating the methanogenic nature of this group. This was further confirmed by our two highly enriched cultures of methanogenic archaea, Candidatus Methanoplasma termitum strain MpT1 from a higher termite and strain MpM2 from the millipede gut, which had 16S rRNA genes that fell within in this lineage. Together with the recent isolation of Methanomassiliicoccus luminyensis from human feces, the results of our study supported that the entire lineage, distantly related to the Thermoplasmatales, represents the seventh order of methanogens, the “Methanoplasmatales” (now referred to as Methanomassiliicoccales). To gain deeper insight into this novel order of methanogens, we sequenced and analyzed the genome of Ca. Mp. termitum strain MpT1, and compared it to the three other genomes of the order Methanomassiliicoccales available to date. Our results confirmed that all members of the lineage are obligately hydrogen-dependent methylotrophs that perform methanogenesis by the hydrogen-dependent reduction of methanol or methylamines and lack the entire C1 pathway for reduction CO2 to CH4. However, this raises questions concerning the mechanism of energy conservation that had so far escaped attention. Our comparative analysis revealed that energy conversion in Methanomassiliicoccales differs from those of other obligately hydrogen-dependent methylotrophs. We identified a complex encoded by all four genomes that is related to the membrane-bound F420:methanophenazine oxidoreductase (Fpo) of Methanosarcinales, but lacks the F420-oxidzing module, as in the apparently ferredoxin-dependent Fpo-like homolog in Methanosaeta thermophila. We suggests that this Fpo-like complex of the Methanomassiliicoccales uses the present D subunit of the heterodisulfide reductase as an electron acceptor to form an energy-converting ferredoxin:heterodisulfide oxidoreductase. This suggests that in Methanomassiliicoccales, the heterodisulfide serves two functions: the production of reduced ferredoxin during electron bifurcation at the cytoplasmic MvhADG/HdrABC complex, and the generation of a membrane portential during the reoxidation of ferredoxin via a membrane-bound electron transport chain. This dual function of heterodisulfide may be a unique characteristic of the entire order. Furthermore, we identified an unusual two-membrane system in Ca. Mp. termitum and strain MpM2 by transmission electron micrographs that might be typical for the complete order. While methanogenesis in insect guts has been investigated by numerous authors, almost nothing is known about methanogenesis and the methanogenic community structure in millipedes, the only other group of arthropods that emit methane. Our analysis of the phylogenetic diversity of archaea associated with tropical millipedes documented that most methanogens in their guts fall into the orders Methanobacteriales, Methanosarcinales, Methanomicrobiales and Methano-massiliicoccales. Their close relatedness to methanogens from the guts of termites, cockroaches and scarab beetle larvae suggests that methanogenic community structure in methane-emitting arthropods is not necessarily shaped by cospeciation. Recently, it has been shown that bacterial communities mirror major events in the evolutionary history of the termites and cockroaches, which leads to the speculation if this is also case for the archaeal community. Here, we present a study that consists of both clone libraries and high-throughput sequencing which concludes that the archaeal community structure and phylogeny is shaped more by the major host groups than by coevolution and diet. This indicates that the host habitat is the major driving force for the selection of the archaeal community. Philipps-Universität Marburg ppn:360702805 ths Prof. Dr. Brune Andreas Brune, Andreas (Prof. Dr.) doctoralThesis monograph English Diversität, Ultrastruktur und vergleichende Genomik der Methanoplasmatales, der 7. Ordnung von Methanogenen https://doi.org/10.17192/z2014.0478 Biologie Methanogene Archaeen sind strikte Anaerobier, die in unterschiedlichen Umgebungen vorkommen, wie zum Beispiel in marinen und süßwasser Sedimenten, in Boden, in heißen Quellen, im Klärschlamm und im Intestinaltrakt von Tieren und Menschen. Methanogene gehören zum Phylum der Euryarchaeota, diese umfassen unter anderem methanogene und nicht-methanogene Ordnungen, sowie viele Abstammungslinien von unkultivierten Archaeen mit unbekannten Eigenschaften. Durch eine umfassende phylogenetische Analyse konnten wir 16S-rRNA-Sequenzen einen dieser tiefabzweigenden Ordnungen, welche weitläufig mit den Thermoplasmatales verwandt ist („unkultivierte Thermoplasmtales“), einer großen Gruppe von unbekannten mcrA-Sequenzen zuordnen. Das mcrA-Gen wird als funktioneller Marker für Methanogenese verwendet. Unsere Analyse deutete an, dass beide Gene vom selben Organismus stammen, was darauf schließen lässt, dass es sich bei der Gruppe um methanogene Archaeen handelt. Dieses Ergebnis wurde durch zwei hoch angereicherte methanogene Kulturen unterstützt, Candidatus Methanoplasma termitum Stamm MpT1 aus dem Darm einer höheren Termite und Stamm MpM2 aus dem Tausendfüßlerdarm, deren 16S-rRNA-Sequenzen in die selbe Abstammungslinie fielen. Die vor kurzem durchgeführte Isolierung von Methanomassiliicoccus luminyensis aus menschlichen Fäzes unterstützt unser Ergebnis, dass die gesamte Abstammungsline der „unkultivierte Thermoplasmtales“, die siebte Ordnung von Methanogenen repräsentiert, für die wir den vorläufigen Namen „Methanoplasmatales“ vorgeschlagen haben (mittlerweile wurde diese Gruppe in Methanomassiliicoccales unbenannt). Um einen tieferen Einblick in diese neue Ordnung von Methanogenen zu erhalten, wurde das Genom von Ca. Mp. termitum sequenziert und analysiert. Anschließend wurden die Ergebnisse mit drei weiteren Genomen der Ordnung Methanomassiliicoccales verglichen, welche bisher zur Verfügung stehen. Unsere Analyse bestätigte, dass es sich bei allen Mitgliedern dieser Abstammungslinie, um obligat Wasserstoff-abhängige methylotrophe Methanogene handelt. Diese Organismen betreiben Methanogenese durch die Wasserstoff-abhängige Reduktion von Methanol oder Methylaminen. Des Weiteren fehlt ihnen der vollständige C1-Weg für die Reduktion von CO2 zu CH4. Dies warf jedoch doch Frage auf, wie diese Organismen Energie konservieren, eine Frage, die in bisherigen Genomannotationen keine Beachtung gefunden hat. Auf Grund der in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen schlagen wir einen neuen Weg der Energiekonservierung für die Gruppe der Methanomassiliicoccales vor, der sich von dem anderer Wasserstoff-abhängiger methylotropher Organismen unterscheidet. Wir konnten einen Komplex identifizieren, der von allen vier Genomen kodiert wird und nahe verwandt ist mit der membrangebundenen F420:Methanophenazin-Oxidoreduktase (Fpo) von Methanosarcinales. Dem gefundenen Komplex fehlt jedoch das Modul für die Oxidation von F420. Ein Fpo-ähnliches Homolog konnte kürzlich auch in Methanosaeta thermophila identifiziert werden, welches scheinbar mit Ferredoxin interagiert. Auf Grund unserer Untersuchungen schlagen wir vor, dass in Methanomassiliicoccales dieser Fpo-ähnliche Komplex die D-Untereinheit der Heterodisulfidreduktase als Elektronenakzeptor verwendet und so eine Energie-konvertierende Ferredoxin:Heterodisulfid Oxidoreduktase formt. Dies lässt darauf schließen, dass das Heterodisulfid zwei Funktionen hat: zum einen die Produktion von reduziertem Ferredoxin während der Elektronenbifurkation am zytoplasmatischen MvhADG/HdrABC Komplex und zum anderen die Erzeugung eines Membranpotentials während der Reoxidierung von Ferredoxin durch eine membrangebundene Elektronentransportkette. Diese duale Funktion des Heterodisulfides könnte eine einzigartige Eigenschaft dieser neuen Ordnung sein. Weiterhin gelang es im Rahmen dieser Arbeit durch Transmissionselektronenmikroskopie ein ungewöhnliches Zwei-Membranen-System in Ca. Mp. termitum und im Stamm MpM2 zu identifizieren, welches wahrscheinlich typisch für die gesamte Ordnung ist. Während die Methanbildung im Insektendarm bereits von verschiedenen Autoren untersucht wurde, ist nur sehr wenig über Methanogenese und die Struktur der methanogenen Gemeinschaft im Tausendfüßlerdarm bekannt. Tausendfüßler gehören zu einer der wenigen Ordnungen von Arthropoden, welche Methan bilden. Unsere phylogenetische Analyse der Diversität von Archaeen in tropischen Tausendfüßlern zeigte, dass die Methanogenen in den Därmen den Ordnungen Methanobacteriales, Methanosarcinales, Methanomicrobiales und Methano-massiliicoccales zugeordnet werden können. Die große Verwandtschaft der erhaltenen Sequenzen zu Methanogenen in den Därmen von Termiten, Schaben und den Larven von Blatthornkäfern legt nahe, dass die methanogene Gemeinschaft in Methan-emittierenden Arthropoden nicht unbedingt durch Kospeziation geformt wird. Des Weiteren konnte kürzlich gezeigt werden, dass die bakterielle Gemeinschaft wichtige Ereignisse in der evolutionären Geschichte von Termiten und Schaben widerspiegelt. Dies führte zu der Spekulation, ob dieser Effekt auch für die archaellen Gemeinschaft nachgewiesen wereden kann. Unsere hier durchgeführte Studie, bestehend aus Klonbibliotheken und Hochdurchsatz-Sequenzierung, lässt darauf schließen, dass die archaelle Gemeinschaft sowie ihre Phylogenie mehr durch die Wirtsgruppen als durch Koevolution und Nahrung geformt wird. Hieraus resultiert, dass das Wirtshabitat die hauptsächlich Selektion der archaellen Gemeinschaft bestimmt 2015-06-25 Life sciences application/pdf Lang, Kristina Lang Kristina Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg Universitätsbibliothek Marburg 2014 "Methanoplasmatales" Fachbereich Biologie 2014-12-09 Biowissenschaften https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2014/0478/cover.png Stamatakis A. 2014. RAxML version 8: a tool for phylogenetic analysis and post- analysis of large phylogenies. Bioinformatics 30:1312–1313. Keltjens JT, Vogels GD. 1993. 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