Nitrosopumilus

Nitrosopumilus ist eine Gattung von Archaeen, die im Meerwasser sehr häufig vorkommt. Diese Gattung ist das erste Mitglied der Gruppe 1a der Thaumarchaeota (Ordnung Nitrosopumilales, auch MG-I, Marine Group I),^[1][2][3] die in Reinkultur isoliert werden konnte. Gensequenzen deuten darauf hin, dass die Nitrosopumilales im oligotrophen Bereichen der Ozeanoberflächen allgegenwärtig sind und in den meisten nicht zu küstennahen Meereszonen der Erde vorkommen.^[4] Die Typusart der Gattung ist N. maritimus (mit Referenzstamm SCM1), ein Organismus, der von der Oxidation von Ammoniak (bzw. Ammonium-Ionen) zu Nitrit lebt. Der für die Oxidation von Ammoniak benötigte Sauerstoff kann dabei wenn nötig über einen besonderen Stoffwechselweg produziert werden, der neben Sauerstoff (O₂) auch Distickstoff (N₂) erzeugt. N. maritimus ist damit von der Anwesenheit von Sauerstoff unabhängig; diese Spezies gehört somit zu den Organismen, die im Dunkeln Sauerstoff produzieren können.^[5][6][7]

Etymologie

Der erste Teil des Gattungsnamens Nitrosopumilus leitet sich ab von lateinisch nitrosus, das seinerseits von altgriechisch νίτρονnítron, deutsch ‚Salpeter‘ abstammt, und Nitrate oder Nitrite bezeichnet (Kalisalpeter, Chilesalpeter, nicht zu verwechseln mit Natron oder der Chemikalie Nitron)^[8], vgl. Bakteriengattung Nitrosomonas. Der zweite Teil kommt von lat. pumilus ‚Zwerg‘. Der Name bedeutet also Zwerg, der Nitrat (oder Nitrit) produziert.^[9]

• Das Artepitheton der Typusart, maritimus ist ebenfalls lateinisch und bedeutet „zum Meer gehörend“, was den Lebensraum dieser Organismen beschreibt.^[9]
• Das Artepitheton cobalaminigenes kommt von Cobalamin (Vitamin B₁₂) und altgr. γεννάωgennaō, deutsch ‚gebären, produzieren, machen‘, ein Hinweis auf die hohen Cobalamin-Erzeugungsraten des Referenzstammes dieser Gattung.^[9]
• Das Artepitheton oxyclinae kommt von altgr, ὀξύςoxýs, deutsch ‚scharf, spitz, sauer‘ und κλίνωklinō, deutsch ‚sich beugen, sich neigen‘, lateinisch [de]clinare (vgl. Deklination = Flexion = Beugung). Dies mit Bezug auf die Oxykline (Grenze zwischen Schichten unterschiedlichen Sauerstoffgehalts in der Wassersäule), aus der der Referenzstamm dieser Gattung isoliert wurde.^[9]
• Das Artepitheton ureiphilus kommt von lateinisch urea ‚Harnstoff‘ und (latinisiert) von altgr. φίλωνphílōn, deutsch ‚liebend‘ bzw. φίλοςphílos, deutsch ‚liebend, geliebt, lieb, teuer, angenehm‘,^[10] bedeutet also zusammen „harnstoffliebend“.^[9]
• Das Artepitheton zosterae ist neulateinischer Genitiv des Gattungsnamens Zostera (Seegräser, en. eelgrass), und bezieht sich auf das Habitat dieser Spezies.^[9]

Systematik

Arten

Die gegenwärtig (Januar 2022) akzeptierte Taxonomie der Gattung basiert auf folgenden Quellen:

• L — List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature (LPSN)^[9]
• N — National Center for Biotechnology Information (NCBI)^[11]
• W — World Register of Marine Species (WoRMS):^[12]

Gattung Nitrosopumilus Qin et al. 2017 (L,N),^[7] alias Candidatus N. Könneke et al. 2005 (L,N) bzw. Könneke, Bernhard, de la Torre, Walker, Waterbury & Stahl, 2005 (W),^[6] mit möglichem Synonym "Ca. Nitrosomarinus" Ahlgren et al. 2017^[13][14]

• Spezies Nitrosopumilus adriaticus Bayer et al. 2019 (L,N), inkl. N. sp. NF5 (N)
• Spezies "Candidatus Nitrosopumilus aestuariumsis" Zou et al. 2020 (L)
• Spezies "Candidatus Nitrosopumilus catalinensis" (Ahlgren et al. 2017)Rinke et al. 2020 mit Synonym "Ca. Nitrosomarinus catalina" Ahlgren et al. 2017^[13] im Fall der Synonymisierung der beiden Gattungen.^[14]
• Spezies "Nitrosopumilus cobalaminigenes" Qin et al. 2017 (L,N) inkl. N. sp. HCA1 (N)^[15]
• Spezies Candidatus Nitrosopumilus cymbastelae corrig.Zhang et al. 2019 (L), mit Schreibvariante Ca. N. cymbastelus Zhang et al. 2019 (L)
• Spezies Candidatus Nitrosopumilus detritiferus Zhang et al. 2019 (L)
• Spezies Candidatus Nitrosopumilus hexadellae corrig.Zhang et al. 2019 (L), mit Schreibvariante Ca. N. hexadellus Zhang et al. 2019 (L)
• Spezies "Candidatus Nitrosopumilus koreensis" Kim et al. 2011 (L,N) mit Referenzstamm AR1 (N)^[16]
• Spezies "Candidatus Nitrosopumilus limneticus" Klotz et al. 2022^[17]
• Spezies Nitrosopumilus maritimus Qin et al. 2017 (L,N), alias "Candidatus N. maritimus" Könneke et al. 2005 (L,N)^[7] bzw. Könneke, Bernhard, de la Torre, Walker, Waterbury & Stahl, 2005 (W)^[6] — Typus (L), mit Referenzstamm SCM1 (N)^[18]
• Spezies "Nitrosopumilus oxyclinae" Qin et al. 2017 (L,N),^[7] inkl. N. sp. HCE1 (N)
• Spezies Nitrosopumilus piranensis Bayer et al. 2019 (L,N), inkl. N. sp. D3C (N)
• Spezies "Candidatus Nitrosopumilus salarius" corrig.Mosier et al. 2012 (L), mit Schreibvariante "Ca. N. salaria" Mosier et al. 2012 (L,N)
• Spezies "Candidatus Nitrosopumilus sediminis" Park et al. 2012 (L,N), alias Ca. N. sp. AR2 (N)
• Spezies "Nitrosopumilus ureiphilus" Qin et al. 2017 (L,N)^[7] inkl. N. sp. PS0 (N)
• Spezies Nitrosopumilus zosterae Nakagawa et al. 2021 (L,N),^[19] inkl. N. sp. NM25 (N)

Kladogramm

Das folgende Kladogramm wurde der GTDB 06-RS202 (Genome Taxonomy Database) entlehnt^[20] und um N. zosterae erweitert:^[19]

Nitrosopumilus cobalaminigenes

Die Zellen dieser Spezies sind gerade kleine Stäbchen von 0,65-1,27 μm Länge und 0,15-0,26 μm Breite. Die Zellen sind nicht motil (nicht beweglich).

Optimales Wachstum bei 0,2-1,0 mM (mmol/ℓ) an Ammonium, wobei Werte von bis zu 10 mM toleriert werden (bei einem pH-Wert von 7,5). Wachstum wird beobachtet bei Temperaturen im Bereich von 10-30 °C (optimal 25 °C) und einem Salzgehalt von 15-40 ‰ (optimal 32 ‰). Unter günstigsten Bedingungen erfolgt eine Zweiteilung (Verdopplung der Zellzahl) alle 30 Stunden. Die Zellen sind lichtempfindlich und können durch gewöhnliche Tages-Nacht-Zyklen bei ausreichender Lichtintensität in der Tagesphase vollständig am Wachstum gehemmt werden.

Diese Archaeen besitzen keine Urease. Cobalamin (Vitamin B₁₂) wird erzeugt bis zu einer hohen Konzentration von 9300 – 11600 nmol B₁₂ pro Mol Zellkohlenstoff, worauf das Namensepitheton hinweist.

Der Referenzstamm HCA1^T (alias ATCC:TSD-96^T) wurde aus Salzwasser in einer Tiefe von 50 m im Hood Canal am Puget Sound im US-Bundesstaat Washington isoliert.

Die DNA des Genoms hat einen G+C-Gehalt von 33,0 mol% (Referenzstamm).^[7]

Nitrosopumilus oxyclinae

Die Zellen dieser Spezies sind Stäbchen von 0,69-0,93 μm Länge und 0,17-0,26 μm Breite. Die Zellen sind nicht motil (nicht beweglich).

Sie tolerieren Ammonium in relativ hohen Konzentrationen von bis zu 1 mM (mmol/ℓ) bei einem pH-Wert von 7,5. Sie wachsen bei einem pH-Wert von 6,4-7,8 (optimal 7,3), Temperaturen zwischen 4 und 30 °C (optimal 30 °C) und einem Salzgehalt von 10-40 ‰ (optimal 25 ‰) Unter günstigsten Bedingungen erfolgt eine Zweiteilung (Verdopplung der Zellzahl) alle 33 Stunden.

Diese Archaeen besitzen keine Urease. Die Zellen sind zur Synthese von Cobalamin (Vitamin B₁₂) fähig, wobei die erreichten Konzentrationen bei 4200 - 5300 nmol B₁₂ pro Mol Zellkohlenstoff liegen.

Der Referenzstamm HCE1^T (alias ATCC:TSD-98^T) wurde aus Salzwasser in einer Tiefe von 17 m im Hood Canal am Puget Sound im US-Bundesstaat Washington isoliert.

Die DNA des Genoms hat einen G+C-Gehalt von 33,1 mol% (Referenzstamm).^[7]

Nitrosopumilus ureiphilus

Die Zellen dieser Spezies sind gerade oder leicht gebogene Stäbchen von 0,76-1,59 μm Länge und 0,22-0,26 μm Breite. Die Zellen sind nicht motil (nicht beweglich), obwohl Gene für ein Archaeen-Flagellum (Geißel) und Chemotaxis bedeuten könnten, dass die Zellen unter bestimmten Bedingungen bewegungsfähig sind.

Die maximale Ammoniumtoleranz beträgt 20 mM (mmol/ℓ) bei einem pH-Wert von 7,5. Die Zellen wachsen am besten bei einer normalen Sauerstoff-Konzentration von 21 %, sie oxidieren aber auch bei sehr geringen Sauerstoffkonzentrationen weiterhin aktiv Ammoniak und teilen sich.

Der optimale pH-Wert liegt bei 6,8, aber die Zellen wachsen auch noch bei einem pH-Wert von 5,9 Wachstum erfolgt bei Temperaturen zwischen 10 uns 30 °C (optimal bei 26 °C) und bei einem Salzgehalt von 15-40 ‰ (optimal 25-32 ‰). Unter günstigsten Bedingungen erfolgt eine Zweiteilung (Verdopplung der Zellzahl) ca. alle 54 Stunden. Die Zellen sind lichtempfindlich und können durch gewöhnliche Tages-Nacht-Zyklen bei ausreichender Lichtintensität in der Tagesphase vollständig am Wachstum gehemmt werden.

Harnstoff kann als Ammoniakquelle für die Energiegewinnung und das Wachstum dienen. Die Zellen sind zur Synthese von Cobalamin (Vitamin B₁₂) fähig, wobei die erreichten Konzentrationen bei 4700 - 5900 nmol B₁₂ pro Mol Zellkohlenstoff liegen.

Der Referenzstamm PS0^T (alias ATCC:TSD-99^T) wurde aus einem küstennahen Oberflächensediment am Puget Sound im US-Bundesstaat Washington isoliert.

Die DNA des Genoms hat einen G+C-Gehalt von 33,4 mol% (Referenzstamm).^[7]

Nitrosopumilus zosterae

Der Referenzstamm NM25^T wurde aus Sedimenten der Seegraszone der Küste von Shimoda (Izu-Halbinsel, Präfektur Shizuoka, Japan) isoliert. Die Zellen sind stäbchenförmig und haben eine S-förmige Zellwand. Der Temperaturbereich für das Wachstum liegt zwischen 20 und 37 °C (optimal bei 30° C); der pH-Bereich liegt zwischen 6,1 und 7,7 (optimal bei 7,1); der Salinitätsbereich (Salzkonzentration) für das Wachstum liegt bei 5-40 % (optimal bei ca. 15-32 %. Die Zellen beziehen ihre Energie aus der Oxidation von Ammoniak und nutzten Bikarbonat als Kohlenstoffquelle; eine Verwertung von Harnstoff wurde nicht beobachtet. Der Stamm NM25^T benötigte einen Wasserstoffperoxid-Scavenger (Abfänger) wie α-Ketoglutarat, Pyruvat oder Katalase für ein anhaltendes Wachstum auf Ammoniak. Einige organische Verbindungen oder Mischungen derselben können das Wachstum von NM25^T bereits in niedrigen Konzentrationen hemmen, darunter Glycerin, Pepton und Hefeextrakt. Die phylogenetische Analyse zeigte 2021, dass der engste Verwandte Nitrosopumilus ureiphilus (Stamm PS0^T) ist, mit Sequenzähnlichkeiten von 99,5 % für die 16S-rRNA und 97,2 % für das amoA-Gen.^[19]

Nitrosopumilus-Stamm SW

Der Nitrosopumilus-Stamm SW (‚Surface water‘, im Taxonomy Browser des National Center for Biotechnology Information – NCBI – und im und World Register of Marine Species – WoRMS — als nicht-klassifizierte Spezies N. sp. SW^[21] bzw. Ca. N. sp. SW^[12] gelistet) wurde aus dem aus dem Gelben Meer bei Südkorea isoliert. Sein Gen für das Protein amoA (ammonia monooxygenase subunit A) und seine 16S-rRNA wurden (teilweise) sequenziert (Kim, 2016). Diese Untersuchungen legen offenbar nahe, dass die Wasserstoffperoxid-Entgiftung ein Schlüsselmechanismus für das Wachstum mariner Ammoniak-oxidierender Archaeen ist.^[22][23]

Nach einer in PNAS veröffentlichten Studie von Kim et al. (2019)^[15] clustert der Stamm SW mit den beiden Stämmen SCM1 und NAOA6 von Nitrosopumilus maritimus (siehe Supplement, Fig. S1),^[15] könnte also möglicherweise derselben Spezies angehören (statt wie beim NCBI und bei der WoRMS provisorisch angenommen eine eigene Spezies zu bilden).

Viren

Archaeen der Gattung Nitrosopumilus werden von Viren der Familie Thaspiviridae parasitiert, darunter befinden sich eine Reihe von Stämmen oder Isolaten, die englisch als Nitrosopumilus spindle-shaped viruses (NSVs) bezeichnet werden. Nach der in PNAS veröffentlichten Studie von Kim et al. (2019) infizieren die Virenstämme NSV1, NSV2 und NSV3 aus Proben von der Westküste der koreanischen Halbinsel den Nitrosopumilus-Stamm SW.^[15] Die Viruspartikel (Virionen) dieser NSVs sind spindel- oder zitronenförmig bei einem Durchmesser von 64 ± 3 nm und einer Länge von 112 ± 6 nm in der Länge, mit einem kurzen Schwanz an einem der beiden Pole. Die morphologischen Merkmale dieser NSVs sind damit denen von Viren der Familien Fuselloviridae und Halspiviridae, die hyperthermophile bzw. hyperhalophile Archaeen infizieren, sehr ähnlich.^[15]

Im (angenommenen) Vorschlag von Kim et al. (2019) an des International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) heißt es aber, dass NSV1, NSV2 und NSV3 gerade den Referenzstamm SCM1 von Nitrosopumilus maritimus infizieren.^[24] Das ICTV hat 2020 für diese Stämme die gemeinsame Virusspezies Nitmarvirus NSV1 geschaffen, monotypisch in der Gattung Nitmarvirus der Familie Thaspiviridae^[25] (aktueller Stand Januar 2022).^[26] Dies löst eine ältere Klassifizierung der Virusgattung als Mitglied der Gattung Alphafusellovirus (Familie Fuselloviridae)^[27] ab und wird mit dafür ausreichenden Unterschieden im Genom der beiden Virusgattungen begründet.^[24]

Über diese drei Stämme — beim NCBI als Isolate bezeichnet — hinaus sind dort noch weitere NSVs (Nitrosopumilus spindle-shaped viruses) aufgeführt: NSV4 bis NSV7 (Stand 1. Februar 2022).^[27]

Der Unterschied in der Virusanfälligkeit selbst einander nahestehender Nitrosopumilus-Stämme kann durch geringfügige Unterschiede bedingt sein, wie etwa verschieden gut wirkende Abwehrmechanismen der Archaeen oder das Vorhandensein spezifischer Virusrezeptoren an der Oberfläche der Archaeenzellen.^[15]

Viren als Parasiten Ammoniak-oxidierende Archaeen (AOA) sind zwar noch wenig erforscht (Stand 2019). Der AOA sind jedoch bedeutende Akteure im globalen Stickstoffkreislauf. NSVs stellen daher eine potenziell wichtige Gruppe mariner Viren dar. Die weite Verbreitung von NSV in AOA-haltigen Meeresumgebungen deutet darauf hin, dass NSV-Parasiten die Vielfalt und Dynamik von AOA-Gemeinschaften regulieren und dadurch den Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf beeinflussen. Darüber hinaus bieten die NSVs wichtige Einblicke in die Vielfalt und Evolution der Virosphäre der Archaeenviren.^[15]

Literatur und Weblinks

• William W. Metcalf, Benjamin M. Griffin, Robert M. Cicchillo, Jiangtao Gao, Sarath Chandra Janga, Heather A. Cooke, Benjamin T. Circello, Bradley S. Evans, Willm Martens-Habbena, David A. Stahl, Wilfred A. van der Donk: Synthesis of Methylphosphonic Acid by Marine Microbes: A Source for Methane in the Aerobic Ocean. In: Science. 337, Nr. 6098, 31. August 2012, S. 1104​–1107. bibcode:2012Sci...337.1104M. doi:10.1126/science.1219875. PMID 22936780. PMC 3466329 (freier Volltext)..
• Christoph Reitschuler, Philipps Lins, Andreas Otto Wagner, Paul Illmer: Cultivation of moonmilk-born non-extremophilic Thaum and Euryarchaeota in mixed culture. In: Anaerobe. 29, Nr. 1, Oktober 2014, S. 73–79. doi:10.1016/j.anaerobe.2013.10.002. PMID 24513652.

Einzelnachweise