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Jun 09, 2023

Hoher Einfluss bakterieller Prädation auf Cyanobakterien in Bodenbiokrusten

Band Nature Communications

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 4835 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Verschiedene Bakterien leben in vielen Umgebungen als Krankheitserreger oder Raubtiere anderer Bakterien. Ihre Auswirkungen auf neu entstehende ökologische Prozesse in natürlichen Umgebungen müssen jedoch noch bewertet werden. Hier beschreiben wir einen neuartigen Typ eines obligaten, intrazellulären Raubbakteriums mit weitverbreiteter Verbreitung, das Boden-Cyanobakterien in Biokrusten erbeutet. Das Raubtier, Candidatus Cyanoraptor togatus, verursacht lokalisierte, cm-große Epidemien, die mit bloßem Auge sichtbar sind, löscht die Netto-Primärproduktivität von Cyanobakterien aus und beeinträchtigt entscheidende Biokrusteneigenschaften wie Stickstoffkreislauf, Staubbindung und Feuchtigkeitsspeicherung erheblich. Die kombinierten Auswirkungen einer hohen lokalen Morbidität und einer flächendeckenden Inzidenz führen zu einem Rückgang der Biokrustenproduktivität auf Ökosystemebene um nahezu 10 %. Unsere Ergebnisse zeigen, dass bakterielle Prädation ein wichtiger Verlustfaktor sein kann, der nicht nur die Struktur, sondern auch die Funktion mikrobieller Gemeinschaften beeinflusst.

Biologische Bodenkrusten (Biokrusten) sind mikrobielle Gemeinschaften im Oberboden, die von photosynthetischen Organismen angetrieben werden und sich typischerweise in Ökosystemen mit geringer Pflanzenbedeckung entwickeln, insbesondere in Trockengebieten1,2. Dort erbringen sie bedeutende Ökosystemdienstleistungen, die von der Kohlenstoff-3 und Stickstofffixierung4 über die Widerstandsfähigkeit des Bodens gegen Erosion5, den Staubeinschluss5, die Veränderung der Bodenoberflächentemperatur6 bis hin zur Hydrologie7 reichen. Weltweit tragen Biokrusten erheblich zu biogeochemischen Kreisläufen bei: 15 % der terrestrischen Nettoprimärproduktivität und fast 50 % der biologischen Stickstofffixierung8.

Seit über 75 Jahren9,10 werden viele Bakterien beschrieben, die ein Leben als Raubtiere anderer Bakterien führen11. Diese „räuberischen Prokaryoten“ haben sich unabhängig voneinander innerhalb mehrerer Bakterienstämme entwickelt und werden aus vielen Mikrobiomen berichtet, darunter denen von Ozeanen12 und Süßwasser13,14, Sedimenten11, Böden15,16, Abwässern14, künstlichen Systemen17,18 und wirtsassoziierten Darmmikrobiomen19,20; Sie füllen eindeutig eine wiederkehrende und weit verbreitete ökologische Nische. Dennoch müssen ihre Auswirkungen auf neu entstehende ökologische Prozesse in natürlichen Umgebungen noch bewertet werden. Wir haben kürzlich die verheerenden Auswirkungen eines unbekannten prokaryotischen Krankheitserregers, eines räuberischen Bakteriums, bei der Produktion von Biokrusten-Cyanobakterien-Inokulum dokumentiert, das für die Wiederherstellung von Trockenlandböden bestimmt ist18.

Hier führen wir den Befund eines katastrophalen Versagens der Biokrustenproduktion in künstlichen Umgebungen auf das Vorhandensein eines natürlich vorkommenden, neuartigen, obligaten Raubbakteriums zurück, das dominante, nicht heterozyste filamentöse, Biokrusten bildende Cyanobakterien jagt und das wir als Candidatus „Cyanoraptor togatus“ bezeichnen. . Es hat nichts mit anderen bekannten räuberischen Prokaryoten zu tun und hat den typischen Lebenszyklus eines endobiotischen Raubtiers mit sowohl intrazellulärer Zellteilung als auch extrazellulären Angriffsstadien sowie die ungewöhnliche Eigenschaft, ein Raubtier aus dem Hinterhalt zu sein. Wir zeigen außerdem, dass es oder eng verwandte Organismen weltweit in Biokrusten verbreitet sind. Wichtig ist, dass seine Aktivität lokal zu erheblichen Verringerungen der Biokrustenfunktionalität (Nettoprimärproduktivität, Feuchtigkeitsspeicherung und Staubmitnahme sowie Verschiebungen in Kohlenstoff- und Stickstoffspeichern) führt, was auf Ökosystemebene einem Nettoeffekt von 10 % Senkung der Primärproduktivität entspricht.

Ein Kultur-Bioassay (Expanded Microcoleus Mortality Assay oder EMMA) (Abb. 1 und siehe Materialien und Methoden), der auf der Fähigkeit eines Bodens basiert, eine vollständige Mortalität im grundlegenden Biokrusten-Cyanobakterium Microcoleus vaginatus zu induzieren, half uns, den in Biokrusten-Produktionsanlagen entdeckten Krankheitserreger aufzuspüren zur Entwicklung von cm-großen Plaques oder Zonen mit Cyanobakterien-Clearance in natürlichen Biokrusten. Diese Plaques waren mit bloßem Auge sichtbar (Abb. 2), wenn der Boden nass war (z. B. nach einem Regenereignis), da die betroffenen Gebiete durch die Migration von Cyanobakterien an die Oberfläche nicht grün wurden21, was uns die Erkennung und Quantifizierung ermöglichte sie mit relativer Leichtigkeit. Bodenproben, die aus solchen Plaques (n = 30) an verschiedenen Standorten (n = 6; Tabelle S1) im Südwesten der USA gewonnen wurden, waren ausnahmslos EMMA + und die Krankheitserreger waren immer filtrierbar mit Porengrößen von 0,45–1 µm, aber nicht größer, und immer unempfindlich zum eukaryotischen Inhibitor Cycloheximid, was auf die prokaryotische Natur und geringe Größe des Wirkstoffs hinweist, während gepaarte Proben aus asymptomatischen Bereichen direkt außerhalb der Plaques immer EMMA- waren (Tabelle S2). Diese Endpunkt-EMMA-Lösungen führten bei weiterer Inkubation nie zu einem erneuten Wachstum von Cyanobakterien und behielten die Infektiosität frischer Cyanobakterienkulturen bis zu 6 Monate lang bei. Eine einmalige, kleinräumige Probenentnahme über eine Plaque in Abständen von 2 mm mittels Microcoring22 zeigte, dass die Grenze der sichtbaren Plaque genau das Ende der Infektiosität markierte; Proben 0–2 mm außerhalb der Plaque erwiesen sich als nicht infektiös. Darüber hinaus führte die Beimpfung gesunder, natürlicher Biokrusten mit EMMA+-Suspensionen zur lokalen Entwicklung von Biokrustenplaques, und der Boden aus diesen Plaques war selbst EMMA+, was Kochs Postulate teilweise erfüllte. Allerdings ergab die standardmäßige mikrobiologische Ausplattierung keine EMMA+-Isolate (wir haben 30 einzelne Isolate getestet), obwohl die Standardausplattierung mit ähnlichen Isolationsbemühungen einen großen Teil der Heterotrophen aus Biokrusten erfolgreich kultivieren kann23.

a Typischer visueller Verlauf eines positiven EMMA, das mit dem zu testenden Boden oder der zu testenden Kultur inokuliert wurde, wie es zum Testen auf Pathogenität gegenüber Microcoleus vaginatus PPC 9802 im Feld und in Anreicherungen verwendet wird. b Typischer Abbau der Cyanobakterien-Biomasse während einer EMMA, dargestellt durch Elektronenmikroskopie: Gesunde Filamente von Microcoleus vaginatus PPC 9802 (oben) weisen zahlreiche photosynthetische Membranen (weiße Pfeile), Peptidoglycan-Querwände (gelbe Pfeile) und Carboxysomen (grüner Pfeil) auf. Mit fortschreitender Infektion (nach unten) kommt es zu einem offensichtlichen Abbau der intrazellulären Strukturen, wobei nur Zellgeister in Form von Peptidoglycan-Wandresten (gelbe Pfeile) zurückbleiben, einschließlich der charakteristisch vergrößerten Peptidoglycan-„Stoßstange“ der Terminalzellen (roter Pfeil). Manchmal können intrazelluläre bacilloide Bakterien beobachtet werden (blauer Pfeil). Cyanobakterienkulturen verlieren jegliche Lebensfähigkeit. Maßstabsbalken = 1 µm. n = 250 Bilder aus 4 unabhängigen Experimenten. c In der Durchflusszytometrie/Zellsortierung verwendete Assay-Modifikation, die in den oberen beiden Reihen Anreicherungen zeigt, die für Prädation positiv sind, und unten diejenigen, die für Prädation negativ sind. d Tests und Kontrollen in EMMA, um die prokaryotische Natur des Krankheitserregers sicherzustellen.

Hauptansicht: Makroskopische Ansicht einer Bodenoberfläche, die von Cyanobakterien-Biokrusten besiedelt und von mehreren Plaques befallen ist, aufgenommen nach einem Regen in einem Quadrat, das für Felduntersuchungen verwendet wird. Einfügung: Nahaufnahme einer einzelnen Plaque, die gut abgegrenzte Grenzen und einen typischen zentralen Bereich der neuen Cyanobakterienbesiedlung zeigt.

Um diese Organismen zu untersuchen, wandten wir uns der Anreicherung von Pathogen-/Beute-Kokulturen zu, die auf wiederholten Passagen durch EMMA und Differenzgrößenfiltration in Kombination mit Verdünnungs-bis-Extinktions-Ansätzen und anschließender Reinigung mit Durchflusszytometrie/Zellsortierung beruhten. Der Prozess wurde durch 16S-rRNA-Gen-Amplikonsequenzierung überwacht und ergab schließlich eine hochangereicherte Co-Kultur des Cyanobakteriums mit einer genetisch homogenen Population (eine einzige Amplikonsequenzvariante), die mehr als 80 % der Lesevorgänge ausmachte (Abb. 3 a, B). Wir nennen den durch diesen ASV repräsentierten Organismus Candidatus Cyanoraptor togatus. Dass es sich tatsächlich um das Raubtier handelt, wird durch die Tatsache gestützt, dass von den 17 ASVs, die bei der letzten Anreicherung entdeckt wurden, nur 10 konsistent in allen Infektionsstadien des Prozesses nachgewiesen wurden und nur unser ASV-Kandidat von diesen in der relativen Häufigkeit stetig zunahm der Anreicherungsprozess (Abb. 3 a, b). Diese endgültige Anreicherung von C. togatus, LGM-1, bildet die Grundlage für nachfolgende biologische und molekulare Analysen. Sein ASV war den wenig bekannten Mitgliedern der Familie Chitinophagaceae im Stamm Bacteroidetes am ähnlichsten. Das Genom von LGM-1 wurde sequenziert und zu einem einzelnen 3,3-MB-Contig mit 1.781 mutmaßlichen und 1.328 hypothetischen Genen zusammengesetzt (Tabelle S3), obwohl die meisten Proteine ​​​​eine geringe Identität (<70 %) mit ihren Homologen in Chitinophaga pinensis aufwiesen, dem nächsten Verwandten mit vollständiger Genexpression sequenziertes Genom, wenn auch nicht besonders eng damit verwandt. Die 16S-rRNA-Gensequenz aus den beiden identischen Kopien von LGM-1 war laut BLAST-Suchen (Version BLAST + 2.11.0) nur zu 90 % mit der seines nächsten Isolats in der Kultur vergleichbar. Diese Sequenz wurde verwendet, um die phylogenetische Platzierung von LGM-1 einzugrenzen (Abb. 3c), was auf seine Affinität zu Mitgliedern der Chitinophagaceae hinweist, jedoch grundsätzlich und deutlich genug, um eine eindeutige Zuordnung auf Familienebene ungewiss zu machen. Bemerkenswert ist, dass keine anderen gemeldeten räuberischen Prokaryoten mit LGM-1 verwandt sind, obwohl zumindest in einem Fall über einen Pilzendosymbionten berichtet wurde, der phylogenetische Affinitäten zur Gattung Chitinophaga aufweist24. LGM-1 stellt einen weiteren Zweig der notorisch polyphyletischen Gilde räuberischer Prokaryoten dar. Es können einige genomische Vergleiche mit anderen räuberischen Bakterien angestellt werden (Tabelle S3). Im Gegensatz zu obligaten Symbionten kommt es bei räuberischen Bakterien nicht zu einer Verringerung der Genomgröße25, was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, dass sie auf ein extrazelluläres Stadium angewiesen sind. Die Genomgröße des Cyanoraptors ist, wenn auch etwas kleiner, nicht untypisch für die Genomgröße der Chitinophagaceae, die etwa 4,5 MB groß sind. Vielen bakteriellen Raubtieren fehlen vollständige Aminosäure-Biosynthesewege26. Ebenso verfügt Cyanoraptor nur über vollständige Biosynthesewege für Glutamin und Asparagin. Zusammen mit unserer Unfähigkeit, beuteunabhängige Kulturen zu züchten, lässt dies darauf schließen, dass Cyanoraptor zwangsläufig räuberisch ist. Darüber hinaus verfügen Raubtiere in der Regel über eine breite Palette hydrolytischer Enzyme und über keine Quorum-Sensing-Gene26. Passend zu diesem Muster waren 3 % der Gene des Cyanoraptors Hydrolasen zuzuordnen und ihm fehlten außerdem Quorum-Sensing-Gene. Schließlich ist ein gemeinsames genomisches Merkmal räuberischer Bakterien das Vorhandensein des Mevalonat-Wegs für die Isoprenoid-Biosynthese, der bei Bakterien selten, bei Eukaryoten jedoch häufig vorkommt. Es wurde vermutet, dass Raubtiere in der Lage sind, Acetyl-CoA, das erste Molekül im Stoffwechselweg, abzufangen, anstatt es mithilfe des energieintensiven Prozesses aus Pyruvat und G3P zu synthetisieren. Allerdings weicht Cyanoraptor hiervon ab und enthält nur den gemeinsamen Bakterienweg. Cyanoraptor ist offenbar in keinem seiner Lebensstadien beweglich, ihm fehlen sichtbare Flagellen und es fehlen Gene, die auf Ähnlichkeit mit bekannten Motilitätsfunktionen (Flagellen oder Gleiten) oder Steuern in seinem Genom zurückzuführen sind. Dies ist anders als bei allen anderen bekannten räuberischen Prokaryoten.

eine gemeinschaftliche Zusammensetzung von Bakterien bei der fortschreitenden Anreicherung von Räuber-/Beute-Kokulturen nach unterschiedlichen Ansätzen, wie angegeben, basierend auf Analysen von 16S-rRNA-Amplifikaten, ausgenommen M. vaginatus. Für die Gattung Flavisolibacter wurden zwei ASVs nachgewiesen. EMMA bezeichnet den Expanded Microcoleus Mortality Assay. b Detaillierte Dynamik der relativen Häufigkeit für die 10 ASVs (Amplikonsequenzvarianten), die in jedem Stadium erkannt wurden. ASVs werden nach der bestmöglichen taxonomischen Zuordnung gekennzeichnet. Jede Farbe stellt einen ASV dar, der nach Möglichkeit auf dem Gattungsetikett gekennzeichnet ist. c Phylogenetische Beziehungen der vollständigen 16S-rRNA-Gensequenz von Cyanoraptor togatus LGM-1, erhalten aus seiner vollständigen Genomsequenz, mit denen aller vorhandenen Isolate in der Familie der Chitinophagaceae, wobei diejenigen in der Familie der Saprospiraceae als Außengruppe verwendet werden. Der Baum umfasst 181 einzelne Sequenzen, die der Übersichtlichkeit halber reduziert sind. Prozent der Bootstrap-Werte liegen an den Knoten. Quelldaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt.

Die 16S-rRNA-Sequenzen von LGM-1 ermöglichten es uns auch, Biokrustengemeinschaften auf ihr Vorhandensein in Plaques und sie umgebenden gesunden Krusten zu untersuchen. Candidatus Cyanoraptor togatus oder damit eng verwandte ASVs wurden auf allen getesteten Plaques gefunden (n = 15 an 7 verschiedenen Standorten), obwohl wir ihn auch in scheinbar gesunden Bereichen um ihn herum molekular nachweisen konnten (n = 12, an 4 getesteten Standorten; Tabelle S4), allerdings in deutlich geringeren Anteilen (Abb. 4). Angesichts der mangelnden Infektiosität in solchen Gebieten, wie oben diskutiert, müssen wir diesen Nachweis dem Vorhandensein der Relikt-DNA von Cyanoraptor zuschreiben, einem Phänomen, das typisch für Bodenumgebungen ist27. Insgesamt waren Cyanoraptor-ähnliche ASVs jedoch nie dominant (<3,6 % der Messwerte; Tabelle S5), selbst innerhalb von Plaques. In ähnlicher Weise konnten wir das Vorhandensein von Cyanoraptor-ähnlichen Sequenzen in archivierten Daten aus allen verfügbaren molekularen Untersuchungen von Biokrusten in vielen geografischen Gebieten außerhalb unserer physischen Untersuchung feststellen (Tabelle S6), was darauf hindeutet, dass ihre Häufigkeit wahrscheinlich global ist. In diesen waren Cyanoraptor-ähnliche Sequenzen sogar noch seltener, was vielleicht zu erwarten war, da die Datensätze nicht darauf ausgelegt waren, Plaques zu erfassen, sondern vielmehr die Biokrustenvielfalt insgesamt zu untersuchen.

Genaue p-Werte finden Sie in den Ergänzungstabellen 4, 8, 9 und 10. TOC, TIC, TON und TIN stehen für gesamten organischen Kohlenstoff, gesamten anorganischen Kohlenstoff, gesamten organischen Stickstoff bzw. gesamten anorganischen Stickstoff. EPS steht für Exopolysaccharid. n = Anzahl biologisch unabhängiger Probenpaare; Absolute Werte werden in den Tabellen S4, S8–S10 bereitgestellt und Rohdaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt.

Wir haben den Lebenszyklus von Cyanoraptoren untersucht, indem wir die Infektionsdynamik innerhalb typischer EMMA durch Transmissionselektronen- und Konfokalmikroskopie verfolgt haben. Endpunkt-EMMAs zeigten ausnahmslos das Fehlen gesunder Filamente von Microcoleus (es waren nur karkassenartige Geisterfilamente ohne Zytoplasma zu sehen; Abb. 1b) und eine große Anzahl kleiner (0,8–1 µm Durchmesser), deutlich intern unterteilter, nicht -gegeißelte, gramnegative Kokken (Abb. 5a–d), die wir aufgrund ihrer (i) geringen Größe, (ii) hohen Anzahl und (iii) Nähe zu toten Cyanobakterien als extrazelluläre Ausbreitung des Cyanoraptors interpretieren. Unter diesen Vermehrungszellen wurden keine sich teilenden Zellen nachgewiesen (n = 250; ermittelt anhand von TEM-Fotografien). Das innere, elektronendichte Kompartiment der Propagula enthielt ein typisches fibrilläres Nukleoid (Abb. 5b, Abb. S1) und war von zwei Membranen umgeben, die durch einen elektronendurchlässigen Bereich getrennt waren, wie es für ein gramnegatives Tegument typisch ist (Abb. 5c). ). Eine interne Kompartimentierung durch zwei Membranen bei Bakterien war bisher nur beim Planctomyceten Gemmata obscuriglobus bekannt28. Das äußere Kompartiment oder „Toga“ mit einer Dicke von 0,1–0,4 µm war elektronenleicht und ebenfalls durch zwei Membranen mit einem klaren Zwischenraum vom extrazellulären Raum getrennt (Abb. 5c). Bei der Infektion frischer Beute entwickelten die Kokken in unmittelbarer Nähe von M. vaginatus tegumentäre Strukturen, die an Andockzonen erinnern (Abb. 5d), und mit fortschreitender Infektion gelangten räuberische Zellen in das Zytoplasma der Cyanobakterien. Im Inneren verloren sie alle Spuren der Kompartimentierung und begannen zu pseudofilamentösen Formen zu wachsen (Abb. 5e und 6) mit einer großen Anzahl zytoplasmatischer Einschlüsse, da M. vaginatus-Zellen abgebaut wurden und einen offensichtlichen Verlust makromolekularer Strukturen zeigten, die für gesunde Zellen typisch sind wie Thylakoide und Carboxysomen29, hervortretende Zellwände aufgrund des Verlusts der Zellwandstärke und des Verlusts des zytoplasmatischen Inhalts (Abb. 5e, h). Der Schaden und die Infektion breiten sich häufig auf mehrere Zellen neben der Eintrittszelle im Cyanobakterienfilament aus (Abb. 5h). Während der intrazellulären Phase von Cyanoraptor kam es nur im späten pseudofilamentösen Stadium zu einer mehrfachen Zellteilung (Abb. 5f), begleitet von einem Verlust von Reservepolymeren, der Bildung eines Kokons fibrillärer Natur um ihn herum (Abb. 5f und 7) usw die Ausscheidung einer großen Anzahl von 10–20 nm großen membrangebundenen extrazellulären Vesikeln (Abb. 5g und 8). Nach dem vollständigen Abbau der M. vaginatus-Zellen wurden die Propagula freigesetzt (Abb. 5j, k) und blieben in Gruppen erhalten. Wir gehen davon aus, dass das äußere Kompartiment als Aufbewahrungsort für hydrolytische Enzyme dient, die für die Beute bestimmt sind, eine übliche Strategie bei räuberischen Bakterien30; Dass die meisten als Polymerhydrolasen annotierten LGM-1-Gene (3 %) mit Signalpeptiden für die Ausscheidung ausgestattet sind, stützt diese Behauptung. Dieses äußere Kompartiment scheint durch die Verschmelzung der zwischen Zellen und fibrillärem Kokon eingeschlossenen extrazellulären Vesikel entstanden zu sein. Aufgrund seiner mangelnden Beweglichkeit scheint es, dass Cyanoraptor eine Strategie der Raubüberfälle aus dem Hinterhalt anwendet, die bei Begegnungen, beim Andocken und möglicherweise bei der Ausbreitung wahrscheinlich auf der Beweglichkeit von Cyanobakterien beruht. Dies steht im Einklang mit dem im Labor ermittelten Beutebereich, in dem alle darauf empfindlichen Cyanobakterienstämme durch Gleiten beweglich sind (Tabelle S7). Somit scheint Cyanoraptor ein obligatorisches, endozelluläres Raubbakterium zu sein, das erste dieser Art als Raubtier von Cyanobakterien, obwohl eine Vielzahl von Proteobakterien, Bacteroidetes und Firmicutes Cyanobakterienzellen extrazellulär lysieren können31.

eine Gruppe intern unterteilter extrazellulärer Fortpflanzungsorgane in der Nähe eines Filaments eines gesunden Microcoleus. In Endpunkt-Expanded-Microcoleus-Mortalitätstests wurden Propagula in großer Zahl gefunden. b Nahaufnahme der Ultrastruktur extrazellulärer Fortpflanzungen, wobei das innere Kompartiment ein Nukleoid enthält (N; Abb. S1) und das äußere Kompartiment oder die Toga aus Elektronenlicht. c Detail der Membranen ihres gramnegativen Innenkompartiments (ICM) und Außenkompartiments (OCM). d Andocken der Fortpflanzungsorgane an das Beute-Tegument, was auf spezielle Strukturen hindeutet (Pfeile). e Nicht kompartimentierte, intracyanobakterielle, pseudofilamentöse Zellen (siehe auch Abb. 6). f Gleichzeitige, mehrfache Teilung des Cyanoraptor-Pseudofilaments (obere Infektion) und Bildung eines umhüllenden, faserigen Kokons (CC; siehe auch Abb. 7) mit einer weiteren infizierenden Zelle im Pseudofilament-Stadium (untere Infektion) und generalisierter Abbau cyanobakterieller Strukturen (siehe auch Abb. 1). g Detail der Freisetzung extrazellulärer Vesikel in der späten intrazellulären Phase in den Raum zwischen Zelle und Kokon (siehe auch Abb. 8). h, i Optische und konfokale Paarbilder eines Filaments von M. vaginatus, mit Infektionen, die einen DAPI-gefärbten Cyanoraptor und einen Verlust der Autofluoreszenz des photosynthetischen Pigments in infizierten Zellen zeigen. j, k Optische und konfokale Paarbilder eines vollständig abgebauten Cyanobakterienfilaments, das Gruppen extrazellulärer Fortpflanzungen freigesetzt hat. a–g und h–k wurden aus Beobachtungen von 250 mikroskopischen Aufnahmen aus 4 verschiedenen vollständigen Experimenten bzw. 28 Bildern aus 6 verschiedenen vollständigen Experimenten ausgewählt.

Wir zeigen drei ausgewählte Beispiele (n = Beobachtungen von 250 mikroskopischen Aufnahmen aus 4 verschiedenen vollständigen Experimenten).

Vier ausgewählte Beispiele werden mit Pfeilen angezeigt, die auf Kokons zeigen (n = Beobachtungen von 250 mikroskopischen Aufnahmen aus 4 verschiedenen vollständigen Experimenten).

Es werden vier beispielhafte Mikroaufnahmen gezeigt, wobei die Pfeile auf Vesikel zeigen (n = Beobachtungen von 250 Mikroaufnahmen aus 4 verschiedenen vollständigen Experimenten).

Von 70 Cyanobakterienstämmen (in 14 Gattungen), die mit EMMA getestet wurden, aber die Beute ersetzten, waren nur 14 (in 4 Gattungen) anfällig für Angriffe (Tabelle S7), alle filamentös und nicht heterozystös und typische Pionier-Biokrustenbildner. Der gemeinsame Nenner anfälliger Stämme war ihre Fähigkeit, gedrängte, große Filamentbündel zu bilden und sich im Einklang mit grundlegenden epidemiologischen Prinzipien durch Gleitbewegungen zu bewegen, da dies die Beutesterblichkeit bzw. Ansteckung fördert32. Vergleiche der 16S-rRNA-basierten Gemeinschaftszusammensetzung, ergänzt durch absolute Quantifizierung mittels quantitativer PCR in gepaarten Proben (innerhalb vs. außerhalb von Plaques), zeigten, dass Feldepidemien einen signifikanten Bevölkerungsrückgang mit sich brachten (p = 0,002; Wilcoxon-Paired-Ratio-Test; Abb. 4, Tabelle S4) in Cyanobakterien. Zwar gab es eine Tendenz zu einem absoluten Anstieg bei anderen Bakterien (dh Nicht-Cyanobakterien), dies war jedoch statistisch nicht signifikant (Abb. 4). Kein anderer einzelner Bakterienstamm zeigte signifikante absolute Vorteile oder Rückgänge durch die Epidemie. Unter den 29 in unserem Felddatensatz identifizierten Cyanobakterien-Taxa sind nur Microcoleus vaginatus, Allocoleopsis sp., Potamolinea sp. und Xeronema sp. erlitten nachweislich signifikante und konsistente Verluste (p < 0,05; Tabelle S8), entsprechend dem in der Kultur nachgewiesenen Beutespektrum. Die Affinität von Cyanoraptor zu M. vaginatus, dem wahrscheinlich am häufigsten vorkommenden terrestrischen Cyanobakterium33, und zu einigen Vertretern der Coleofasciculaceae, die über Kontinente hinweg weit verbreitet sind34, beschert ihm ein wahres weltweites Buffet.

Die ökologischen Folgen von Cyanoraptor-Epidemien wurden durch einen Vergleich der Auswirkungen auf relevante Biokrusteneigenschaften über Plaquegrenzen hinweg bewertet. Eine Zusammenstellung der Ergebnisse der durchgeführten Tests finden Sie in Abb. 4 und die vollständigen Datensätze und Statistiken finden Sie in den Tabellen S9 und S10. Der schwerwiegendste Effekt war auf die Netto-Primärproduktivität zurückzuführen, die beim Übergang von gesunden Biokrusten zu Plaques ausnahmslos vollständig ausgelöscht wurde und diese in Netto-Atmungssysteme verwandelte, wobei der Wendepunkt räumlich mit der Plaque-Grenze zusammenfiel (Abb. 9a, b). Die funktionellen Auswirkungen auf die sauerstoffhaltige Photosynthese waren viel schwerwiegender, als man aufgrund des Verlusts der 16S-rRNA-Gene von Cyanobakterien hätte vermuten können, was wiederum darauf hindeutet, dass die Wahrscheinlichkeit einer Relikt-DNA von Cyanobakterien das volle Ausmaß der Morbidität durch Cyanoraptor verwischt. Der Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff (TOC) und der Gesamtgehalt an organischem Stickstoff (TON) wurden ebenfalls kontinuierlich gesenkt (um durchschnittlich 13 % bzw. 38 %), wodurch gleichzeitig der Gehalt an gelöstem anorganischem Stickstoff (DIN) im Boden um durchschnittlich 300 % anstieg in absoluten Zahlen entsprach in etwa den TON-Verlusten (Tabelle S10). Der Biokrustengehalt an extrazellulärem Polysaccharid (EPS), das für einen Teil des hydrologischen und staubbindenden Charakters von Biokrusten verantwortlich ist35, wurde in Plaques ebenfalls durchweg reduziert (um durchschnittlich 53 %), möglicherweise als Folge der Freisetzung von DIN, was der Fall sein würde machen EPS zu einem besseren Wachstumssubstrat für Heterotrophe, wenn N verfügbar ist. Es überrascht nicht, dass auch wichtige funktionelle Eigenschaften von Biokrusten wie die Fähigkeit zur Feuchtigkeitsspeicherung während der Austrocknung und die Fähigkeit zur Staubbindung negativ beeinflusst wurden (Abb. 4, 9c), und zwar um 67 bzw. 36 %. Es kann vielleicht überraschend sein, dass ein relativ seltenes Bakterium solch verheerende Kaskadeneffekte hervorrufen kann. Die Nahrungsaufnahme des Cyanoraptors scheint jedoch ziemlich ineffizient zu sein, da er viel mehr zerstört, als er ernten kann, und Cyanobakterien-Biomasse für eine Reihe anderer zufällig auftretender Bakterien verfügbar macht. Eine grobe Schätzung dieser Biomassetransfereffizienz aus mikroskopischen Bildern deutet auf Werte deutlich unter 1 % hin (Tabelle S11).

a Typische Verteilung der Nettoprimärproduktivität über eine Plaquegrenze (oberes Foto). b Beispielhafte Dynamik der Bodenaustrocknung innerhalb und außerhalb einer Plaque. c Beispiel für unterschiedliche Staubeinschlüsse innerhalb und um eine Plaque vor (links) und nach der Staubaufbringung. Die Ergebnisse für Wiederholungsexperimente sind in Tabelle S9 aufgeführt. Quelldaten werden als Quelldatendatei bereitgestellt.

Alle oben diskutierten Auswirkungen beziehen sich auf konzentrierte Epidemien, die sich über Größenordnungen von cm erstrecken. Die Skalierung solcher Effekte auf die Ebene des Ökosystems erfordert jedoch eine Bewertung des Vorkommens und der Verteilung einzelner Plaques in viel größeren Maßstäben. Während an allen inspizierten Standorten Plaques gefunden wurden, führten wir zur quantitativeren Vergrößerung fotografische Felduntersuchungen zum Vorkommen von Plaques mit einer Größe von mehr als 3 mm in 195 1 m² großen Quadraten entlang von 9 linearen Transekten an 3 geografischen Standorten durch, die aufgrund ihrer Größe ausgewählt wurden hohe Biokrustenbedeckung und durchgeführt an regnerischen Tagen, um Plaques auffällig zu machen (Abb. 10, Zusatzdaten 1). Die Plaquedichte in einzelnen Transekten lag zwischen 1 und 23 m², betrug durchschnittlich 9,0 ± 8,6 m² und betraf 8,3 ± 14,3 % der untersuchten Biokrustenfläche. Einzelne Quadrate wiesen eine Fläche von 0 bis 263 Plaques pro m² und eine Flächeninfektion von 0 bis 98 % auf. Die Plaques folgten stark den aggregierten Verteilungen über Skalen hinweg (Abb. 10), sogar innerhalb von Quadraten (Nearest-Neighbor-Test; p = 0,01). Skaliert man die funktionellen Effekte einzelner Plaques auf Flächenbasis durch einfache Arithmetik, ergibt sich, dass die Auswirkungen von Cyanoraptor-Infektionen auf Ökosystemebene ebenfalls erheblich sind und die Primärproduktivität in der Größenordnung von 10 % verzehnten. Dies muss als Unterschätzung angesehen werden, da nur vollständig ausgebildete Plaques mit einer Größe von mehr als 3 mm gezählt wurden und Cyanoraptor auch in Bereichen ohne auffällige Plaques molekular nachgewiesen wurde.

Jede Farbe bezeichnet einen separaten Transekt und die Standortmittel sind die grünen horizontalen Linien. Vollständiger Datensatz in Supplementary Data 1.

Da Verluste durch Virusinfektionen oder Protisten-/Meiofauna-Beweidung in Biokrusten noch quantifiziert werden müssen, ist prokaryotische Prädation vorerst der wichtigste biologische Verlustfaktor in diesen Mikrobiomen. Im Lichte unserer Arbeit sollte die prokaryotische Prädation zusammen mit anderen biologischen Verlustfaktoren als potenziell wichtiger Determinant der Populationsdynamik in Mikrobiomen betrachtet werden. Darüber hinaus bergen Praktiken zur Wiederherstellung von Biokrusten, die auf der Nutzung ganzer Gemeinschaften für die Inokulumproduktion basieren, das Risiko einer Infektionsausbreitung und sollten mit Vorsicht durchgeführt werden. Seit unserem ursprünglichen Bericht über katastrophale Ausfälle aufgrund der Cyanobakterien-Mortalität18 konnten wir die Ausbreitung der Krankheit erfolgreich verhindern, indem wir einfach das Ausgangsmaterial auf diagnostische Plaques testen und alle enthaltenden Plaques in der nachgelagerten Produktion verwerfen.

Candidatus Cyanoraptor, Gen. nov., Cy.a.no.rap'.tor, lateinisiertes Gr. mn Cyanos, Blaugrün und L. raptor mn, Plünderer, ML Cyanoraptor m. na Plünderer der Blaugrünen (Cyanobakterien).

Beuteabhängige intrazelluläre gramnegative Raubbakterien der Bacteroidetes mit Affinitäten zur Familie der Chitinophagaceae, die in ihrem Lebenszyklus eine auffällige Zelldifferenzierung in verschiedene intra- und extrazelluläre Stadien zeigen. Extrazelluläre Fortpflanzungsorgane teilen sich nicht, sind kokkoid und intern durch eine Doppelmembran unterteilt. Das innere Fach enthält das Nukleoid. Intrazellulären Stadien fehlt ein äußeres Kompartiment, sie wachsen zu Stäbchen und schließlich zu Pseudofilamenten, um gleichzeitig mehrere Zellteilungen durchzuführen. Es existieren keine beweglichen Phasen. Flagellen fehlen. Wahrscheinlich auxotroph für viele Aminosäuren.

Zivilkandidat für Cyanoraptor. sp. neu. To.ga´.tus, L. togatus m. Adj., gekleidet in ein Gewand oder eine Toga, in Bezug auf das äußere Fach in den Propagules.

Extrazelluläre Kokken 0,93 ± 0,15 µm, intrazelluläre Zellen 1,02 ± 0,41 µm breit und mehr als 5 µm lang. Jagt nicht-heterozystöse, bewegliche filamentöse terrestrische Cyanobakterien. Der Stamm LGM-1T in angereicherter Form und sein Genom sind das Typusmaterial. Sein Genom ist 3,3 MB groß und hat einen G + C-Gehalt von 42 %. Isoliert aus biologischer Bodenkruste in Arizona, USA. Wird als Co-Kultur mit M. vaginatus PCC 9802 als Beute gehalten.

Wir haben feuchte Cyanobakterien-Biokrusten von sieben verschiedenen Standorten in der Sonora- und Chihuahua-Wüste mit umgedrehten 10-cm-Petrischalen beprobt und sie im Freien trocknen lassen, bevor sie für die Weiterverarbeitung gelagert wurden. Die für die Probenahme verwendeten Standorte sind in Tabelle S1 aufgeführt. Einige dieser Standorte wurden aufgrund der weit verbreiteten Biokrustenbedeckung für intensive räumliche Untersuchungen ausgewählt. Wir führten 9 lineare Transekte durch, 3 an jedem Standort, immer nach starken Regenfällen, um die Plaketten gut sichtbar zu machen. Die Transekte waren 45 m lang, wobei die Quadrate an Standort 9 1 m voneinander entfernt waren, und 85 m, wobei die Quadrate an anderer Stelle 8,5 m voneinander entfernt waren. Quadrate wurden fotografisch dokumentiert (Abb. 2), die Fotos anschließend mit ImageJ Fiji36 analysiert. Die erhaltenen abgeleiteten Parameter waren (a) der Prozentsatz der von Plaques betroffenen Biokrustenfläche, (b) die Flächendichte der Plaques und c) der Abstand von einer Plaque zu ihrem nächsten Nachbarn, um die räumliche Plaqueverteilung zu charakterisieren.

Um das Vorhandensein prokaryotischer Erreger zu bestimmen, die für Cyanobakterien pathogen sind, haben wir einen Bioassay entwickelt, der auf dem Schicksal einer axenischen Kultur von Microcoleus vaginatus (PCC 9802) basiert. 10 ml Jaworskis Minimalflüssigkeitsmedium in 75-ml-Gewebekulturflaschen mit belüftetem Verschluss wurden mit PCC 9802 (0,2 mg (Chl a) l−1) als Beute beimpft und mit 25 mg aus einem Homogenat des zu testenden Bodens inkubiert unter 10 µmol m−2s−1 Beleuchtung mit einer 12-stündigen Photoperiode. Der Test umfasste ausnahmslos a) nicht beimpfte Negativkontrollen und b) Negativkontrollen, bei denen der Boden vor der Testimpfung autoklaviert wurde. Alle Tests und Kontrollen wurden (mindestens) dreifach und gleichzeitig durchgeführt. Die Flaschen wurden nach 5-tägiger Inkubation durch einfache Inspektion abgelesen. Die positiven Ergebnisse zeigten zunächst eine offensichtliche Chlorose und einen vollständigen Abbau der Cyanobakterien-Biomasse (Abb. 1a). Wenn positive Ergebnisse gefunden wurden, wurden zwei weitere Tests mit PCC 9802 durchgeführt, das wie oben beschrieben hergestellt wurde: (1) 1 ml der positiven Endpunktsuspension wurde in Kulturen geimpft und der eukaryotische Inhibitor Cycloheximid bis zu einer Endmenge von 12,5 µg/ml hinzugefügt, was positive Ergebnisse anzeigte ein nicht-eukaryontischer Krankheitserreger, und (2) Aliquots der Endpunktsuspension wurden frischen Kulturen nach Filtration durch Polycarbonatfilter mit nominellen Porendurchmessern von 0,2, 0,45, 0,8 und 1,0 µm zugesetzt. Negative bei oder unter 0,45 µm deuteten auf einen nicht-viralen Wirkstoff hin.

Wir führten eine aufeinanderfolgende Reihe von Anreicherungs-/Isolierungstechniken durch, beginnend mit der direkten Ausplattierung der größengefilterten Inhalte positiver EMMA-Tests auf mit 1,5 % Agarose verfestigter tryptischer Bodenbrühe, aber keines der resultierenden Isolate war EMMA +. Zur Anreicherung verwendeten wir zunächst eine Größenfraktionierung (SF) positiver EMMA-Endpunkt-Aliquots, um Bakterien mit einer Nenngröße von 0,2 µm–1 µm anzureichern, die dann mit mehreren Filtrationspassagen auf M. vaginatus-Kulturen (PCC 9802) geimpft wurden . Es folgte eine Verdünnung bis zur Extinktion (DTE) in 1/10-Schritten auf 10–7 basierend auf den SF-Präparaten mit zehn Wiederholungen zur Verdünnung. Die höchste Verdünnung, die M. vaginatus noch tötete, wurde dann für wiederkehrende DTE-Runden verwendet. SF/DTE brachte jedoch keine reine Co-Kultur von Raubtier und Beute hervor. Anschließend wurde Durchflusszytometrie/Zellsortierung (FCCS) verwendet, um die Anreicherung weiter zu reinigen. SF/DTE-Präparate wurden gefiltert (<1 µm) und in einen BD FACSAria Ilu-Zellsortierer injiziert. Zellen mit einem Durchmesser zwischen 0,79 µm und 1,3 µm wurden in einhundert 96-Well-Platten mit gesunden, axenischen M. vaginatus (PCC 9802)-Kulturen sortiert und unter Standard-MMA-Bedingungen inkubiert (Abb. 1c). Dieses FCCS-Verfahren wurde zweimal nacheinander durchgeführt. Die letzte Anreicherungsstufe wurde für nachgelagerte Analysen unter der Stammbezeichnung LGM-1 verwendet.

DNA aus Kulturen oder Feldproben wurde mit dem Qiagen DNeasy PowerSoil Kit (QIAGEN, Katalognummer 12888-50) gemäß den Anweisungen des Herstellers extrahiert. Die V4-Region des 16S-rRNA-Gens wurde mit den Primern 515 F und 806R37 amplifiziert. PCR-Reaktionen, Amplifikatquantifizierung und Illumina-Sequenzierung wurden veröffentlicht18. Die rohen FASTQ-Dateien wurden im MiSeq Illumina-Workflow unter Standardparametern demultiplext. Gepaarte Sequenzen wurden demultiplext und über Qiime2 2019.738 analysiert, wobei das DADA2-Plugin verwendet wurde, um eine Merkmalstabelle mit repräsentativen Sequenzen (ASVs) und ihrer Häufigkeit des Auftretens zu erstellen. Die Taxonomie wurde mit dem Naive Bayes-Klassifikator zugewiesen, der auf der Greengenes-Version 13.8 trainiert wurde. Sequenzen von Cyanobakterien (=Oxyphotobakterien39), phylogenetisch getrennt zugeordnet unter Verwendung von Cydrasil40. Um das Vorhandensein von Cyanoraptor-ähnlichen Sequenzen in Feld- oder Datenbankdatensätzen zu bewerten und zu quantifizieren, wurden mittels BLAST Übereinstimmungen mit der vollständigen 16S-rRNA-Sequenz von Candidatus C. togatus gesucht.

DNA aus LGM-1 wurde mit dem Monarch Genomic DNA Purification Kit (Thermo Fisher, Katalognummer K0512) extrahiert und mit einem G-Röhrchen (Covaris) bei 4000 U/min unter Verwendung der vom Hersteller empfohlenen Methoden geschert. Nach der Perlenreinigung wurde DNA mit einer Größe von etwa 8 bis 15 kb zum Aufbau der Pacbio-Sequenzierungsbibliothek (10 kb) verwendet, die unter Verwendung des Pacbio Express II-Protokolls und der Reagenzien (SMRTbell Express, Katalognummer NC1811322) erstellt wurde. Die Sequenzierung wurde auf einem Pacbio Sequl II-Instrument (Pacbio) gemäß den Protokollen des Herstellers mit den folgenden Parametern durchgeführt: Bindungskit 2.0, Primer V4, Sequenzierungsplatte 2.0, 8 M v2-Zelle, Beladungskonzentration von 55 pM, Sequenzierungszeit von 30 Stunden mit CCS Modus, was eine FASTQ-Datei ergibt. Nach der Erfassung der Rohsequenzierungsdaten wurde die CCS-Analyse unter Verwendung der Standardeinstellungen auf SMRT Link V8 mit einem durchschnittlichen Qualitätsfaktor von QV41 durchgeführt. Die rohe FASTQ-Datei wurde in eine lokale Instanz von EDGE (Empowering the Development of Genomics Expertise)41 importiert, um die Contig-Assemblierung unter Verwendung von 10 % der Daten durchzuführen. Die Montage erfolgte mit Irasm-wtdbg2 in 1416 Contigs mit 22,97-facher Abdeckung. Contig-Binning, Identifikation und Qualitätsprüfungen nutzen CheckM42. Das Genom des Raubbakteriums wurde anhand der vorhandenen partiellen 16S-rRNA-Geninformationen identifiziert und der resultierende (einzelne) Bin anschließend mit SEED auf dem RAST-Server (Rapid Annotation using Subsystems Technology)43 kuratiert. Erste Anmerkungen wurden mit Prokka44 mit Übertragungen vom nächsten Verwandten, Chitinophaga pinensis, durchgeführt. Alle mutmaßlichen Gene, keine hypothetischen Gene, wurden dann mit UniProt (Universal Protein Resource)45 abgeglichen. Die interessierenden Proteine ​​wurden dann mithilfe von pBLAST in der NCBI-Datenbank bestätigt. Die KEGG-Datenbank (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)46 wurde verwendet, um das Vorhandensein interessanter Stoffwechselwege mit weiteren manuellen Anmerkungen zu erkennen.

Ein Referenzbaum unter Verwendung der Maximum-Likelihood-Methode + gründlicher Bootstrap (1000 Replikate) und des GTRGAMMA-Modells aus den 145 16S-rRNA-Sequenzen (1485 + Basen), die von kultivierten Mitgliedern der Chitinophagaceae öffentlich verfügbar sind, und 36 Sequenzen von kultivierten Mitgliedern der Saprospiraceae als Außengruppe, nach Ausrichtung mit SSU-ALIGN. Schlecht ausgerichtete Spalten wurden basierend auf einem 95-prozentigen Konfidenzprofil entfernt. Die Baumtopologie wurde auf dem Hochleistungs-Computing-Cluster CIPRES47 mithilfe des RAxML-HPC2-Workflows auf XSEDE abgeleitet. Der resultierende Baum wurde importiert und auf dem iTOL48 3-Server visualisiert.

Für TEM wurden Anreicherungen des Stammes LGM-1 verwendet, um zwei einzelne Infektionszyklen mit täglicher Unterprobenahme über einen Zeitraum von 5 Tagen zu verfolgen. Teilproben wurden pelletiert und mit 2,5 % Glutaraldehyd und Natriumcacodylat-Waschpuffer (0,1 M, pH 7,4) bei Raumtemperatur für 2 Stunden fixiert und dann in Agarose suspendiert, mit 1 % gepuffertem OsO4 bei 4 °C für 2 Stunden fixiert und im Block gefärbt 0,5 % Uranylacetat bei 4 °C, über Nacht, mit steigenden Acetonkonzentrationen dehydriert und zweimal mit 100 % Propylenoxid bei Raumtemperatur gespült. Anschließend wurden die Pellets bei Raumtemperatur unter Rotation mit aufeinanderfolgenden Mengen (10 %, 25 %, 75 %, 100 %) Epoxidharz für 1, 2, 8 bzw. 12 Stunden infiltriert. Infiltrierte Pellets wurden in frisches 100 %iges Harz eingebettet und 24 Stunden lang bei 60 °C gehalten. Pellets im Harz wurden dünn geschnitten (70 nm) und mit 2,5 % Uranylacetat/Bleicitrat nachgefärbt. Die Schnitte wurden mit einem JEOL 1200EX TEM und einem Philips CM 12 TEM bei 80 kV abgebildet. Präparate des Stammes LGM-1 wurden auch während eines Infektionszyklus durch konfokale Fluoreszenz und DIC-Mikroskopie nach Fixierung mit 2,5 % Glutaraldehyd und Färbung mit 0,1 mg/ml DAPI (4'−6-Diamidino-2-phenylindol) auf einem Zeiss SM 880 beobachtet Mikroskop. DAPI-gefärbte LGM-1-Zellen wurden mit einer Anregung bei 358 nm und einer Emission bei 461 nm beobachtet. M. vaginatus wurde durch seine Autofluoreszenz basierend auf photosynthetischen Pigmenten beobachtet (Emission bei 663 nm mit Anregung zwischen 620 und 630 nm).

Die Flächenkonzentrationen von Chlorophyll a und Scytonemin wurden als Proxys für die Biomasse von Cyanobakterien und die Biomasse heterozystischer Cyanobakterien in Biokrusten verwendet. Es wurden Kerne mit einem Durchmesser von drei mm und einer Tiefe von 1 cm entnommen, in Aceton extrahiert und ihre Pigmentkonzentration spektrophotometrisch nach den Methoden von Giraldo-Silva49 bestimmt.

Der Gesamtgehalt an organischem Stickstoff (TON), der Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff (TOC), der Gesamtgehalt an anorganischem Stickstoff (TIN) und der Gesamtgehalt an anorganischem Kohlenstoff (TIC) wurden innerhalb einer Plaque und in gesunder Biokruste innerhalb von 5 cm vom Rand der Plaque entfernt aus Bohrkernen bestimmt Tiefe und Durchmesser von 0,5 cm. Die Kerne wurden in einer SPEX Certiprep 8000D-Mühle zu einem feinen Pulver gemahlen und 5 Minuten lang gemahlen. Für TOC/TIC verwendeten wir die Säurebegasung auf einem CHNS/O-Analysator der Serie II von Perkin Elmer. Für den TON- und TIN-Gehalt wurden gemahlene Kerne wie oben für die Kaliumchlorid (KCl)-Extraktion von Nitrat und Ammonium oder für den Gesamtstickstoff (TN) auf einem Verbrennungsanalysator verwendet.

EPS wurde mit der EDTA-Methode50 aus 1 cm tiefen und 1 cm breiten Kernen extrahiert und dann mit der Phenol-Schwefelsäure-Methode51 mit einem kommerziellen Kit von Sigma-Aldrich (Katalognummer MAK104) quantifiziert.

Die Primärproduktivität wurde anhand der Bestimmung der Sauerstoffaustauschrate über der Krustenoberfläche22 bewertet. Hierzu verwendeten wir benthische Flusskammern52, miniaturisiert auf eine Messfläche von 12,6 mm2 (kreisförmige Öffnung mit 4 mm Durchmesser) und ein Gesamtvolumen von 26 µL. Diese Miniaturisierung gewährleistete eine interne Durchmischung durch Konvektion. Die Kammern waren mit einer internen O2-messenden Mikrooptode (50 µm) Spitzendurchmesser ausgestattet, verbunden mit einem Fire-Sting O2-Sauerstoffmessgerät, beide von Pyroscience Gmbh. Mithilfe eines Mikromanipulators wurden Kammern über der Kruste angebracht. Die Optode wurde auf 100 % Sättigung kalibriert und die Temperatur in Echtzeit korrigiert (19–20 °C). Für die Inkubation wurden in Petrischalenböden mit 15 cm Durchmesser gehaltene Biokrusten mit entionisiertem Wasser bis zur Sättigung benetzt, 4 Stunden lang bei einer Beleuchtungsstärke von 20 µmol Photonen m−2s−1 stehen gelassen und dann in einen größeren kreisförmigen Glasbehälter (Durchmesser 17 cm) gegeben 6,5 cm hoch), eingetaucht in entionisiertes Wasser bis etwa 2,5 mm über der Oberfläche der Kruste, unter einem durch einen Luftstrom angetriebenen Strom und beleuchtet mit sättigenden 350 µmol m−2s−1 weißem Licht (Fiber-Lite Illuminator Modell 190), gemessen mit einem Quantenmeter (Li-Cor Modell LI-250). Anschließend wurde die benthische Kammer mithilfe des Mikromanipulators auf den gewünschten Bereich abgesenkt, um sie mit der Krustenoberfläche abzudichten. Die Messungen an jeder Stelle wurden dreifach durchgeführt. Die O2-Wechselraten wurden anhand der Messfläche, der Kammerkapazität und einer O2-Sättigung von 8,79 mg/L (19,5 °C, 0 % Salzgehalt, 335 m Höhe) zurückgerechnet. Konventionell tragen Wechselkurse ein positives Vorzeichen, wenn sie einen Nettoexport von O2 aus der Erdkruste bedeuten, während O2-Verbrauchsraten ein negatives Vorzeichen tragen.

Die Austrocknungsdynamik von Biokrusten wurde mit zwei temperaturkorrigierten kommerziellen (UP Umweltanalytische Produkte GmbH) leitfähigkeitsbasierten Minisonden gemäß Lit. verfolgt. 53, bis zu einer Tiefe von 2 mm platziert, entweder innerhalb oder knapp außerhalb der Plaques. Ausgehend von gesättigtem Boden wurde die Austrocknung durch einen Ventilator über dem Kopf beschleunigt, und alle 10 Minuten wurden gleichzeitig Messungen durchgeführt. Die Dynamik zeigte typischerweise eine Verzögerung der Austrocknung außerhalb der Krusten, und daher geben wir diese Verzögerung als die Zeit an, die benötigt wird, um einen Wassergehalt von 80 % Sättigung zu erreichen.

Biokrustenproben wurden mit destilliertem Wasser benetzt, von oben fotografiert und in einen größeren Behälter gegeben, der mit einer 50 g/l-Suspension von Kieselgur bis zu einer Höhe von 4–5 cm über der Krustenoberfläche gefüllt wurde, und dort stehen gelassen Es kann mehrere Stunden dauern, bis sich die Partikel absetzen. Die Probe wurde vorsichtig entnommen und unter einem sanften Luftstrom unter der Luft stehen gelassen, bis die Oberfläche vollständig trocken war. Die trockene Kieselgurschicht verlieh der Kruste ein starkes Oberflächenreflexionsvermögen. Die Probe wurde erneut in die große Schale gelegt, die dann etwa 1 cm über der Kruste mit destilliertem Wasser gefüllt wurde und einem Luftstrom ausgesetzt wurde, um Oberflächenpartikel abzuscheuern. Die Probe wurde aus der Schale entnommen, zum langsamen Trocknen unter einen Luftstrom gestellt und nacheinander fotografiert, um qualitativ räumliche Muster des unterschiedlichen Einfangens zu „entwickeln“. Zur Quantifizierung verwendeten wir RGB-Bildanalysen (Fidschi) von interessierenden Bereichen (entweder Plaques oder gesunde Biokruste um sie herum) unter Verwendung des blauen Kanals, der uns die geringste Divergenz zwischen verschiedenen nackten Böden lieferte. Die durchschnittliche Pixelintensität wurde für einen bestimmten Bereich nach dem Test berechnet und mit der durchschnittlichen Pixelintensität desselben Bereichs vor dem Test normalisiert. Die paarweise normalisierten durchschnittlichen Pixelintensitäten von Plaque über Biokrustenflächen wurden als Maß für den unterschiedlichen Staubeinschluss ermittelt.

Um die statistische Signifikanz allgemeiner Muster zwischen Parametern innerhalb und außerhalb einer Plaque zu testen, wurden Verhältnisse der gepaarten Werte (innen vs. außen) in jeder Plaque berechnet und die Wahrscheinlichkeit, dass der Median der Sammlung von Verhältnissen signifikant von Eins abweicht bewertet mit einem Wilcoxon-Test mit gepaarten Stichproben für Verhältnisse54. Darüber hinaus wurden bei Bedarf Unterschiede in den Mittelwerten je nach Standort mithilfe von Welch-T-Tests bewertet. Für mikrobielle Gemeinschaftsanalysen wurde die Signifikanz von Zusammensetzungsverschiebungen auf ASV-Ebene (Amplikonsequenzvariante) für heterotrophe Bakterien und auf Artenebene für Cyanobakterien auch mit paarweisen PERMANOVAs getestet, die auf Bray-Curtis-Ähnlichkeitsmatrizen relativer Häufigkeiten berechnet wurden, die aus der Sequenzierung mit 9999 Permutationen abgeleitet wurden. Um potenzielle Treiber für Veränderungen der Community-Zusammensetzung auf ASV-Ebene zu ermitteln, wurde das Paket maaslin255 verwendet. Alle Berechnungen wurden mit R56 durchgeführt.

Weitere Informationen zum experimentellen Design finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Research Reporting Summary.

Die in dieser Studie generierten Sequenzierungsdaten wurden in der NCBI-Datenbank unter BioProject PRJNA786587, BioProject PRJNA730549 und BioProject PRJNA730811 hinterlegt. Alle anderen in dieser Studie generierten Daten sind in den Zusatzinformationen aufgeführt. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.

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Die Autoren danken dem Eyring Materials Center und den Kerneinrichtungen des Biodesign Institute an der Arizona State University für ihre Unterstützung. Die finanzielle Unterstützung für diese Forschung erfolgte durch die NSF-Zuschüsse DEB 2129537 und ENG 1449501. JB wurde vom BYU Charles Redd Center for Western Studies, den Friends of the Sonoran Desert und der Jornada Basin Long Term Ecological Research Site (DEB 2025166) unterstützt.

School of Life Sciences, Arizona State University, Tempe, AZ, 85287, USA

Julie Bethany und Ferran Garcia-Pichel

Zentrum für grundlegende und angewandte Mikrobiomik, Biodesign Institute, Arizona State University, Tempe, AZ, 85287, USA

Julie Bethany und Ferran Garcia-Pichel

Los Alamos National Lab, Los Alamos, NM, USA

Shannon Lynn Johnson

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FGP, JB konzipierte die Forschung, entwarf und führte Experimente durch. JB, SJ analysierten Genomdaten, JB, FGP diskutierten die Ergebnisse, JB, FGP schrieben und redigierten das Manuskript.

Korrespondenz mit Ferran Garcia-Pichel.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Bethany, J., Johnson, SL & Garcia-Pichel, F. Hoher Einfluss bakterieller Prädation auf Cyanobakterien in Bodenbiokrusten. Nat Commun 13, 4835 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32427-5

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Eingegangen: 01. Februar 2022

Angenommen: 01. August 2022

Veröffentlicht: 17. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32427-5

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