Comment détecter les réseaux de cycle du soufre microbien par métagénomes ?

Qu'est-ce que le cycle du soufre microbien ?

Le soufre, un nutriment indispensable pour toutes les formes de vie, sert de bloc de construction vital pour des acides aminés tels que la méthionine et la cystéine. D'abondantes réserves de soufre existent dans la nature, en particulier dans l'écosystème marin, où le sulfate et le sulfure sont stockés en quantités considérables. La transformation des composés soufrés avec des états de valence variés repose principalement sur les microorganismes, chacun équipé de fonctions métaboliques distinctes, contribuant au cycle complexe du soufre. Dans des conditions diverses, les bactéries oxydant le soufre facilitent la conversion des composants soufrés à faible valence en sulfate, que ce soit dans des environnements aérobies ou anaérobies. À l'inverse, les bactéries réduisant le sulfate, actives dans des conditions anaérobies, réduisent le sulfate en sulfure, complétant ce cycle biologique essentiel.

Le croquis conceptuel des principales protéines et voies connues impliquées dans le cycle microbien du DMS/DMSP. (Teng et al., 2021)

Exploitation des données métagénomiques

• Quantification et analyse comparative des gènes fonctionnels du cycle du soufre : calcul détaillé de l'abondance des gènes fonctionnels du cycle du soufre.
• Carte des voies fonctionnelles des gènes du cycle du soufre : Visualisation des voies clés et de leurs interactions.
• Analyse comparative de la diversité bêta entre les échantillons/groupes : Découvrez la diversité des gènes du cycle du soufre à travers différents échantillons ou groupes.
• Identification microbienne de l'hôte et Analyse Conjointe avec les Gènes Fonctionnels : Lien entre les communautés microbiennes et les gènes fonctionnels qu'elles portent, offrant une perspective holistique.

Veuillez lire notre article. Introduction à la métagénomique par shotgun, de l'échantillonnage à l'analyse des données.

Processus de recherche

• Résultats d'annotation KEGG de Métagénome Analyse standard : Utilisation de l'annotation KEGG pour identifier les gènes pertinents dans le cycle du soufre.
• Intégration des voies de cycle du carbone, de l'azote, du soufre et du phosphore : compréhension complète des cycles métaboliques interconnectés.
• Calcul de l'abondance génétique détaillé : Quantification précise de l'abondance génétique pour chaque voie (carbone, azote, soufre et phosphore) dans chaque échantillon.
• Comparaisons d'abondance génique inter-échantillons : Révéler les variations et les relations entre différents échantillons.

Étude de cas : Caractérisation biogéographique du cycle du diméthylsulfure et du diméthylmercaptopropionate

Le diméthylmercaptopropionate (DMSP) est un composé marin courant, vital pour la nutrition bactérienne et le cycle mondial du soufre. Les microorganismes métabolisent le DMSP en sulfure de diméthyle volatil (DMS), un gaz "actif sur le climat" ayant des implications significatives pour la chimie atmosphérique et le changement climatique mondial.

Dans cette étude, ils ont mené métagénomique et métatranscriptomique analyses des échantillons d'eau de mer provenant des océans polaires et des basses latitudes, mettant en lumière les caractéristiques biogéographiques des gènes microbiens impliqués dans le cycle DMS/DMSP.

Abondance relative des gènes potentiels impliqués dans le cycle DMS/DMSP bactérien. (Teng et al., 2021)

Leurs résultats révèlent que les océans polaires présentent une abondance génétique plus élevée liée au cycle DMS/DMSP par rapport aux océans de basse latitude, démontrant une distribution biogéographique distincte. Des gènes clés, tels que la DMSP déméthylase (DmdA), les enzymes clivant le DMSP (DddD, DddP et DddK), et la monooxygénase triméthylamine (Tmm), qui oxyde le DMS en diméthylsulfoxyde, jouent un rôle central dans le cycle global DMS/DMSP.

Dans le cycle DMS/DMSP marin polaire, les α-amibes et les γ-amibes jouent des rôles cruciaux. Fait surprenant, le modèle biogéographique du cycle DMS/DMSP dans les océans polaires est principalement associé à la profondeur d'échantillonnage, plutôt qu'à la distance géographique, ce qui indique que la distribution n'est pas contrainte par des limitations de dispersion mais plutôt influencée par des variations dans les habitats de surface et d'eau profonde.

Analyses de la similarité inter-échantillons parmi les échantillons d'eau de mer polaires et non polaires. (Teng et al., 2021)

En conclusion, cette recherche souligne l'importance du cycle du soufre microbien dans les écosystèmes marins, avec l'utilisation de données métagénomiques fournissant des informations précieuses sur la distribution et la diversité des gènes clés impliqués dans le cycle DMS/DMSP, contribuant ainsi à notre compréhension des processus biogéochimiques de la Terre.

Diversité phylogénétique des gènes liés au cycle du DMS/DMSP dans les océans Arctique et Antarctique. (Teng et al., 2021)

Référence :

1. Teng, Zhao-Jie, et al. "Traits biogéographiques du cycle du diméthylsulfure et du diméthylsulfoniopropionate dans les océans polaires." Microbiome 9.1 (2021) : 1-17.