Кафедра микробиологии и молекулярной генетики, Государственный университет Оклахомы, Стилуотер, Оклахома, США Одра Лиггенстоффер Центр эукариотической эволюционной микробиологии, биологических наук, Колледж наук о жизни и окружающей среде, Эксетерский университет, Стокер-роуд, Эксетер, EX4 4QD, Великобритания Марк ван дер Гизен

Йенский университет им. Фридриха Шиллера, Институт микробиологии, кафедра микробиологии и молекулярной биологии, Йенская коллекция микробных исследований, Neugasse 25, 07743, Йена, Германия Керстин Фойгт Школа биологии Университета Ньюкасла, Ньюкасл-апон-Тайн, NE1 7RU, Великобритания Гордон БиксГарет В. Гриффит открытымоткрытым публиковатьпочта

Почему неокаллимастигомицеты изучают для производства биотоплива

администраторАнаэробные грибы: Neocallimastigomycota Вы можете свободно делиться — копировать, распространять и передавать произведение при следующих условиях: Авторство: Вы должны указывать произведение вАнаэробные грибы:

НеокаллимастигомикотаВы можете свободно делиться — копировать, распространять и передавать произведение на следующих условиях:

Атрибуция:

Вы должны указать авторство произведения в порядке, указанном автором или лицензиаром (но никоим образом не предполагающим, что они одобряют вас или использование вами произведения). Некоммерческий: Вы не можете использовать это произведение в коммерческих целях.

Нет производных работ:

Вы не можете изменять, преобразовывать или строить эту работу. При любом повторном использовании или распространении вы должны разъяснить другим лицензионные условия этой работы, которые можно найти по адресу http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/legalcode. От любого из вышеперечисленных условий можно отказаться, если вы получите разрешение правообладателя. Ничто в этой лицензии не ущемляет и не ограничивает неимущественные права автора.АбстрактныйЭтот вклад основан на шести устных презентациях, сделанных на заседании специальной группы по интересам по анаэробным грибам, состоявшемся во время IMC9. Эти грибы, недавно выделенные в отдельный тип ( Неокаллимастигомикота), отличные от хитридных грибов, обладают несколькими уникальными чертами, которые делают их изучение увлекательным, но в то же время сложным для микологов. В США реализуется несколько программ секвенирования генома, но им препятствуют геномы с высоким содержанием АТ. Секвенирование следующего поколения также позволило более подробно изучить экологию и разнообразие этих грибов, и очевидно, что несколько новых таксонов, помимо шести уже названных родов, существуют в пищеварительном тракте травоядных млекопитающих, а другие потенциально обитают в других анаэробных нишах. Ожидается, что за счет расширения сотрудничества между различными лабораториями, изучающими эти грибы, будет создана стабильная таксономическая основа для этих грибов и будет облегчен обмен как культурами, так и генетическими данными.

Ключевые слова: хитрид, базальные грибы, секвенирование генома, филогенетика, секвенирование нового поколения, гидрогеносомаВВЕДЕНИЕ С момента их открытия Колином Орпином в 1970-х годах анаэробные грибы, теперь принадлежащие к недавно созданному типу Неокаллимастигомикота , вызвали любопытство микологов не только из-за их отличительной физиологии, но и из-за их биотехнологического потенциала для более эффективного кормления животных, а также преобразования биомассы / производства биотоплива. Этот вклад, основанный на заседании специальной группы по интересам, проведенном во время IMC9, собрал вместе микологов, интересующихся анаэробными грибами, чтобы поделиться недавними открытиями и обсудить, как лучше всего продвигать исследования в этой области. Шесть ораторов любезно согласились выступить на сессии, и еще семь не выступающих присутствовали.Учитывая небольшое количество микологов, занимающихся в настоящее время исследованиями анаэробных грибов, это был приятный кворум, в котором были представлены знания в области геномных, филогенетических, морфологических, физиологических и экологических аспектов биологии этих грибов. Этот краткий обзор сессии представляет собой мини-обзор текущего состояния исследований этих удивительных грибов.ВКЛАДЫ Сессия началась с презентации Скотта Бейкера о состоянии двух проектов по секвенированию генома (Пиромицеты Е2 и Орпиномицеты СР2). Богатство AT этих геномов (приближающееся к 80% в некодирующих областях) вызвало серьезные технические проблемы для геномного секвенирования и сборки. Совместная инициатива по геному (JGI) решает технические проблемы со сборкой генома, но планирует опубликовать последовательность в ближайшем будущем. Напротив, проект секвенирования библиотеки Expressed Sequence Tag (EST) не столкнулся с какими-либо техническими проблемами и будет доступен одновременно с окончательным выпуском последовательности генома. До тех пор свяжитесь со Скоттом для получения информации о доступе к EST (scott.baker@pnl.gov). Большая часть интереса к этим грибам связана с генами/ферментами, важными для биоочистки и производства биотоплива, особенно с ксилозоизомеразами и гликозилгидролазами (ксиланазами, целлюлазами).Кейт Флигерова, которая также представила постер (4.015) на основном конгрессе IMC9, продолжила изучение биотехнологического потенциала этих грибов. Некоторые целлюлазы анаэробных грибов возникли в результате горизонтального переноса генов от бактерий, поэтому известно, что это единственные грибы, обладающие целлюлосомами, мультиферментными комплексами, ассоциированными с клеточной стенкой (Garcia-Vallve). и другие.. 2009).

2000, Стинбакерс и другие. 2001).В сочетании с их анаэробным метаболизмом и способностью расти при повышенных температурах (39 °С) они обладают большим биотехнологическим потенциалом. В Праге Кейт и ее коллеги исследовали использование анаэробных грибов для улучшения гидролитической фазы производства биогаза. Они также исследовали, какие грибы присутствуют в коровьем навозе, используемом для предварительного брожения биогаза (Флигерова

и другие

. 2010), обнаружение представителей рода Циламицеты, шестая и самая недавно открытая группа анаэробных грибов (Ozkose и другие. 2001) доминировать, а «самый известный» (и типовой) род Неокаллимастикс составляют лишь небольшую часть населения. Этот дисбаланс также отражен в литературе, возможно, в результате широкого использования пшеничной соломы для культуральной изоляции этих организмов (Гриффит и другиеПрименение независимых от культуры подходов к оценке разнообразия анаэробных грибов было предметом презентации Одры Лиггенштоффер. В ее докторском проекте в Государственном университете Оклахомы использовалось секвенирование 454 со штрих-кодом для определения грибковых симбионтов, присутствующих в фекалиях 30 видов крупных травоядных, многие из зоопарка Оклахома-Сити. Ее выводы недавно были опубликованы (Liggenstoffer и другие. 2010) и продемонстрировали не только подтверждение наличия анаэробных грибов у немлекопитающих-хозяев (зеленая игуана), но и существование восьми новых групп грибов, причем эти новые таксоны (вероятно, представляющие новые роды) составляют почти 40 % получено > 250 000 последовательностей ITS.Хотя может быть трудно быть уверенным, что животные в зоопарке не приобрели новых симбионтов в неволе, некоторые из этих новых групп (NG) показали некоторую специфичность хозяина, например, NG6 включает почти все грибы куду, а NG8 обнаружен только у сомалийского кулана (рис. 1).

Сетевой график, показывающий общие OTU между различными сообществами анаэробных грибов у разных животных-хозяев. График имеет цветовую кодировку филогении животного-хозяина (семейства). Круглые узлы обозначают наборы данных о животных, тогда как меньшие квадратные серые узлы представляют отдельные OTU. Наборы данных с большей долей общих OTU перемещаются в центр, тогда как наборы данных с высокой долей уникальных OTU остаются на периферии. Расстояние между любыми двумя наборами данных зависит от количества общих OTU между ними. Рисунок предоставлен Одрой Лиггенштоффер.

При таком высоком уровне обнаружения таксонов Неокаллимастигомикота, новейший тип грибов (Hibbett и другие. 2007) явно имеет больше таксономических жемчужин, ожидающих открытия, особенно в местах обитания за пределами пищеварительного тракта позвоночных. Последовательности анаэробных грибов действительно появляются в библиотеках клонов окружающей среды (Lockhart и другие. 2006), но это больше свидетельствует об устойчивости их покоящихся спор (Ozkose 2001), чем об их активном метаболизме в этих местах обитания. Однако уже сейчас ясно, что необходима надежная таксономическая схема, основанная на данных о последовательности генов, а не на скудных морфологических признаках. Керстин Фойгт специализируется на филогенетике низших грибов и ставит под сомнение приемлемость этого типа. Неокаллимастигомикота (Эберсбергер и другие₂. 2010).В сотрудничестве с Кейт Флигеровой и Инго Эберсбергером из Вены Керстин применила филогеномный подход (конкатенированные суперматрицы данных) для создания более надежных филогений. Ключевым элементом этого подхода является использование ортологичных генов для сравнения, требующее сначала идентификации исходного члена любого семейства генов в организме до любых межвидовых сравнений. Применение этого более надежного подхода к анаэробным грибам требует данных о последовательности генов, отличных от локуса рРНК, однако первоначальный анализ Керстин, как и данные Одры 454, выявил присутствие четырех новых родов (рис. 2). Также было ясно, что некоторые образцы GenBank имеют неправильную маркировку, что подчеркивает сложность морфологической классификации этих грибов. Филогенетическое дерево основано на анализе максимального правдоподобия с использованием RAxML v. 7.2.6 (Stamatakis 2006) с выровненной областью ITS1-5.8SITS2 из 186 хитридов.. 1997, 2009).

Если есть одна особенность Неокаллимастигомикота что интригует микробиологов в целом, так это их облигатно анаэробный метаболизм. До их «официального» открытия Колином Орпином (1974) об этих организмах сообщали несколько микробиологов рубца, и Либетанц (1910) даже назвал их жгутиковыми простейшими. Каллимастикс. В 1960-х Хунгейт и Принс также заметили эти организмы, но отклонили их как загрязнители. Таким образом, догму о том, что анаэробных грибов не существует, было нелегко опровергнуть. Несмотря на почти полное отсутствие какой-либо полезной летописи окаменелостей, все более точные подходы молекулярных часов постоянно показывают, что грибы отделились от более примитивных многоклеточных животных (животных) около 1 миллиарда лет назад.В то время, между двумя великими событиями оксигенации (в ок. 2400 и 600 млн лет), примитивные эукариоты (включая самые ранние грибы) подвергались воздействию низких уровней кислорода в атмосфере (и др.

. 2010). Исследования Марка ван дер Гизена были сосредоточены на метаболизме анаэробных эукариот (van der Giezen и другие. 2005) и, в частности, как митохондрия, которая, как считается, была приобретена эндосимбиотическим путем для облегчения окислительного стресса, превратилась в гидрогеносому, превращая малат и пируват в водород, CO

и ацетат. Марк описал несколько линий доказательств, которые убедительно указывают на митохондриальное происхождение гидрогеносом анаэробных грибов (van der Giezen

и другие

Некоторые микологи, интересующиеся низшими грибами, посетили одновременную сессию SIG, посвященную

Эволюция и биоразнообразие основных линий грибов

• организован Сатоши Секимото и Тимом Джеймсом. Нам, однако, повезло, что Гордон Бикс согласился порхать между сессиями и заканчивать нашу сессию обзором Неокаллимастигомикота среди более широкого круга жгутиковых грибов. Хотя он в первую очередь микроскопист, Гордон внес ценный вклад в работу над анаэробными грибами, предоставив до сих пор единственную количественную оценку значения анаэробных грибов в метаболизме рубца. Это исследование показало, что грибы составляют около 20 % микробной биомассы овец, которых кормят сеном и гранулированной люцерной (Rezaeian
• и другие . 2004). Удивительно, но многие микробиологи рубца до сих пор не считают грибы важным компонентом микробиоты рубца.Это убеждение поддерживается частично из-за невежества (если вы не смотрите, вы не видите — это похоже на точку зрения многих физиологов растений на микоризу), но также и из-за предвзятого отношения к исследованию скота, которого кормят рационами с низким содержанием клетчатки и высоким содержанием концентратов. С увеличением численности населения и увеличением спроса на продукты животного происхождения, вполне вероятно, что животноводство должно будет стать более зависимым от сырья с высоким содержанием клетчатки, при этом грибы будут играть более важную роль в эффективной работе рубца.Общей темой нескольких докладчиков была потребность в финансировании для катализа исследований анаэробных грибов. В дополнение к биотехнологическому интересу, упомянутому Скоттом и Кейт, важно изучить возможности финансирования в области метаболизма рубца, как отмечалось выше. Помимо изучения роли грибов в переваривании клетчатки, существует также взаимодействие между грибами и метаногенами.
• Археи
• рубца, поскольку в настоящее время признано, что выбросы метана в животноводстве являются основным источником этого сильнодействующего парникового газа.
• Обсуждения в конце встречи и во время IMC9 также касались того, как мы могли бы способствовать будущему сотрудничеству, например, путем создания хранилища важных изолятов. Поскольку их трудно культивировать и требуется специальное оборудование для исключения кислорода, маловероятно, что какая-либо из крупных коллекций культур возьмет на себя эту сложную задачу. Тем не менее, есть надежда, что хранилище для замороженных культур может быть найдено, чтобы обеспечить свободный доступ к репрезентативным культурам основных таксонов.Кроме того, мы договорились о сотрудничестве путем обмена молекулярными данными для разработки стабильной таксономии этих грибов, включая физиологическую, генетическую и морфологическую классификацию недавно появившихся новых таксонов.
• Благодарности Как организатор этой специальной группы по интересам, GWG хотела бы выразить сердечную благодарность всем участникам, особенно спикерам, и надеется, что наши обсуждения как во время, так и после SIG приведут к возрождению работы над этими грибами. GWG также благодарна IMC9 за помощь в организации этой встречи.ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА Dahl TW, Hammarlund EU, Anbar AD, Bond DPG, Gill BC, и другие.
• (2010) Девонское повышение содержания кислорода в атмосфере коррелирует с излучением наземных растений и крупных хищных рыб. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 107 : 17911–17915 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Эберсбергер И., Губе М., Штраус С., Купчок А., Эккарт М.,
• и другие. (2010) Стабильная основа для грибов. Труды природы (). [Google ученый]Флигерова К., Мразек Дж., Хоффманн К., Забранска Дж., Фойгт К. (2010) Разнообразие анаэробных грибов в коровьем навозе, определенное с помощью анализа ITS. Folia microbiologica 55: 319–325 [PubMed] [Google Scholar]
• Гарсия-Вальве С., Ромеу А., Палау Дж. (2000)Горизонтальный перенос генов гликозилгидролаз грибов рубца. Молекулярная биология и эволюция 17: 352–361 [PubMed] [Google Scholar]
• Гизен М ван дер. (2009) Гидрогеносомы и митосомы: сохранение и эволюция функций. Journal of Eukaryotic Microbiology 56: 221–231 [PubMed] [Google Scholar] Гизен М. ван дер, Рехингер К.Б., Свендсен И., Дюран Р., Хирт Р.П., и другие.
• (1997) Митохондриально-подобный сигнал наведения на гидрогеносомальный яблочный фермент анаэробного гриба. Неокаллимастикс лобный: поддержка гипотезы о том, что гидрогеносомы представляют собой модифицированные митохондрии. Молекулярная микробиология 23: 11–21 [PubMed] [Google Scholar]
• Гизен М. ван дер, Товар Дж., Кларк К.Г. (2005) Органеллы митохондриального происхождения у протистов и грибов. International Review of Cytology 244: 175–225 [PubMed] [Google Scholar] Гриффит Г.В., Озкос Э., Теодору М.К., Дэвис Д.Р. (2009) Источник углерода влияет на эффективность изоляции анаэробных грибов рубца. Грибковая экология 2: 87–97 [Google Scholar]Хиббетт Д.С., Биндер М., Бишофф Дж.Ф., Блэквелл М., Кэннон П.Ф., и другие. (2007) Филогенетическая классификация грибов более высокого уровня. Mycological Research 111: 509–547 [PubMed] [Google Scholar]
• Liebetanz E. (1910) Die parasitischen Protozoen des Wiederkäuermagens. Archiv für Protistenkunde 19 : 19–80 [Google Scholar]
• Лиггенштоффер А.С., Юссеф Н.Х., Кугер М.Б., Эльшахед М.С. (2010) Филогенетическое разнообразие и структура сообщества анаэробных кишечных грибов (тип Неокаллимастигомикота) у жвачных и нежвачных травоядных. ISME Journal 4: 1225–1235 [PubMed] [Google Scholar]
• Локхарт Р.Дж., Дайк М.И. ван, Бидл И.Р., Хамфрис П., Маккарти А.Дж. (2006) Молекулярно-биологическое обнаружение анаэробных кишечных грибов (
• Неокаллимастигалы
• ) со свалок. Applied and Environmental Microbiology 72: 5659–5661 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] Орпин КГ. (1974) Жгутиконосцы рубца Каллимастикс фронталис