Séquençage métagénomique dans l'identification des gènes du cycle du phosphore

Introduction

Le phosphore (P), une pierre angulaire élémentaire de la vie, joue un rôle indispensable dans le fonctionnement de tous les organismes vivants. Cet élément vital est un composant fondamental de l'ADN, de l'ARN, de l'ATP (adénosine triphosphate) et de diverses autres biomolécules essentielles. Chez les plantes, le phosphore est absorbé sous forme de phosphates et ensuite intégré sans effort dans des composés organiques. Chez les animaux, il joue un rôle crucial dans la structure des os, des dents et dans une myriade de processus biologiques. Cependant, la disponibilité du phosphore dans les écosystèmes terrestres a progressivement diminué au fil des millénaires en raison de sa perte graduelle par ruissellement. Les études sur la biomasse microbienne du sol ont indéniablement démontré que des concentrations de phosphore réduites dans le sol entravent à la fois la croissance des plantes et la prolifération des microorganismes essentiels du sol. Les transformations du phosphore peuvent être catégorisées en processus à court terme, motivés par des mécanismes chimiques, biologiques ou microbiens. Néanmoins, dans la grande tapisserie du cycle global du phosphore à long terme, les transferts prédominants sont dictés par les forces implacables des mouvements tectoniques s'étendant sur des époques géologiques.

Un diagramme schématique des cycles biogéochimiques du phosphore (P) dans le sol. (Tian et al., 2021)

Méthodologies de séquençage métagénomique

Séquençage métagénomique implique l'analyse systématique de l'ADN extrait d'échantillons environnementaux, tels que le sol, les sédiments, l'eau ou même le microbiote humain, sans avoir besoin de cultiver ou d'isoler des organismes individuels. Cette approche non basée sur la culture capture la diversité génétique de l'ensemble des écosystèmes microbiens, éclairant le potentiel génomique collectif de ces communautés.

Avantages clés du séquençage métagénomique dans les études sur le cycle du phosphore

• Exploration impartiale : Contrairement séquençage génétique cibléLa métagénomique offre une vue impartiale de tout le matériel génétique présent dans un échantillon. Cela signifie que les chercheurs peuvent explorer non seulement les gènes connus du cycle du phosphore, mais aussi découvrir de nouveaux gènes et voies qui pourraient jouer des rôles cruciaux dans le métabolisme du phosphore.
• Pertinence environnementale : Séquençage métagénomique permet aux scientifiques d'examiner les gènes dans le contexte de leur environnement naturel. Cela est particulièrement important pour comprendre comment les gènes du cycle du phosphore fonctionnent dans des écosystèmes complexes, où les interactions entre différents organismes peuvent avoir des effets profonds sur la dynamique des nutriments.
• Haut Débit : Moderne séquençage métagénomique les technologies offrent des capacités de haut débit, permettant l'analyse de vastes quantités de données génétiques en relativement peu de temps. Cette évolutivité est essentielle pour caractériser de manière exhaustive la diversité génétique des communautés microbiennes complexes.
• Évaluation du potentiel fonctionnel : Métagénomique non seulement identifie des gènes mais fournit également des informations sur leur potentiel fonctionnel. En annotant les gènes avec des fonctions connues et des voies métaboliques, les chercheurs peuvent déduire les rôles de gènes spécifiques dans les processus de cycle du phosphore.

Un diagramme schématique des mécanismes possibles de solubilisation du phosphore inorganique (Pi) chez les micro-organismes solubilisateurs de phosphate (PSM). (Tian et al., 2021)

Extraction des gènes du cycle du phosphore à partir de la métagénomique

La quête pour percer le monde énigmatique du cycle du phosphore implique une approche multifacette, englobant les tâches interconnectées suivantes :

1. Identification des gènes liés au cycle du phosphore : Au cœur de notre démarche se trouve la tâche cruciale d'identifier les gènes intimement liés au cycle du phosphore. Ces gènes agissent comme les architectes moléculaires orchestrant la danse complexe du phosphore à travers les écosystèmes.

2. Quantification de l'abondance des gènes associés : Comprendre les aspects quantitatifs des gènes liés au cycle du phosphore est primordial. Une quantification précise fournit des informations sur la dynamique du cycle du phosphore au sein de divers niches écologiques.

3. Distribution des espèces de gènes apparentés : L'étude de la distribution de ces gènes essentiels à travers différentes espèces offre des perspectives profondes sur les dimensions évolutives et écologiques du cycle du phosphore.

Exploration des gènes liés au phosphore dans la base de données KEGG

Pour une perspective encore plus large, la base de données KEGG fournit un vaste répertoire d'informations liées au phosphore. Ici, vous pouvez accéder à :

Correspondance des séquences d'acides aminés, des séquences d'acides nucléiques et des profils HMM : Avec une vaste collection de données comprenant 125 clusters d'homologues immédiats KO (Orthologie KEGG) organisés par symboles de gènes, la base de données KEGG ouvre un monde de possibilités pour les chercheurs désireux d'explorer plus en profondeur la génomique du cycle du phosphore.

Cas : Impact de l'utilisation des terres et de la taxonomie microbienne sur les gènes du cycle du phosphore dans le sol :

Contexte

Le phosphore (P) est essentiel pour la fertilité et la productivité des sols. Les microbes jouent un rôle clé dans l'adaptation à la rareté du P en utilisant divers gènes liés au cycle du P. Ils ont étudié 23 de ces gènes dans des sols forestiers, de prairies et de cultures à travers séquençage métagénomique, en examinant leur redondance au sein des écosystèmes et leur potentiel génomique à travers les taxons microbiens.

Résultats

• Effet de l'utilisation des terres : Les sols des terres arables et des prairies avaient un potentiel plus élevé pour la minéralisation du P organique et la solubilisation du P inorganique par rapport aux forêts. Les gènes des phosphatases alcalines et de production d'acide gluconique étaient plus fréquents dans ces environnements.
• Cyclage des phosphonates : Les sols forestiers ont montré un plus grand potentiel pour minéraliser les phosphonates en utilisant des lyases C–P, soulignant leur rôle dans le cycle du P.
• Différences taxonomiques : Les Proteobacteria et les Euryarchaeota avaient le plus grand potentiel génomique pour répondre à la rareté de P, tandis que les champignons jouaient un rôle plus limité.
• Fonctions clés : La production de phosphatases, la solubilisation du P et la régulation de la réponse au manque de P ont montré une forte redondance intermétagénomique, soulignant leur importance dans le cycle du P.

Redondance intramétagénomique en tant que nombre de copies des gènes du cycle du phosphore. (Siles et al., 2022)

Références :

1. Siles, José A., et al. "Distribution des gènes du cycle du phosphore selon les types d'utilisation des terres et les groupes taxonomiques microbien basés sur le métagénome et le minage de génomes." Biologie et biochimie des sols 174 (2022) : 108826.
2. Tian, Jiang, et al. "Rôles des microorganismes solubilisateurs de phosphate dans la gestion de la carence en phosphore du sol à la médiation du cycle biogéochimique du P." Biologie 10.2 (2021) : 158.