vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ17.319vavilov-1274Research ArticleЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ПОПУЛЯЦИОННАЯ ГЕНЕТИКАECOLOGICAL AND POPULATION GENETICSФилогенетический анализ микробного мата в горячем источнике Гарга (Байкальская рифтовая зона) и разнообразие природных пептидазPhylogenetic analysis of the microbial mat in the hot spring Garga (Baikal rift zone) and the diversity of natural peptidasesЛаврентьеваЕ. В.LavrentyevaE. V.

Улан-­Удэ.

Ulan­-Ude.

lena_l@mail.ruРаднагуруеваА. А.RadnaguruevaA. A.

Улан-­Удэ.

Ulan­-Ude.

БанзаракцаеваТ. Г.BanzaraktsaevaT. G.

Улан-­Удэ.

Ulan­-Ude.

БазаровС. М.BazarovS. M.

Улан-­Удэ.

Ulan­-Ude.

БархутоваД. Д.BarkhutovaD. D.

Улан-­Удэ.

Ulan­-Ude.

УльзетуеваИ. Д.UlzetuevaI. D.

Улан-­Удэ.

Ulan­-Ude.

ЧернявскийМ. К.ChernyavskyM. K.

Улан-­Удэ.

Ulan­-Ude.

КабиловМ. Р.KabilovM. R.

Новосибирск.

Novosibirsk.

ХахиновВ. В.KhakhinovV. V.

Улан-­Удэ.

Ulan­-Ude.

Институт общей и экспериментальной биологии Сибирского отделения Российской академии наук; Бурятский государственный университет.РоссияInstitute of General and Experimental Biology SB RAS; Buryat State University.Russian FederationИнститут общей и экспериментальной биологии Сибирского отделения Российской академии наук.РоссияInstitute of General and Experimental Biology SB RAS.Russian FederationБайкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук.РоссияBaikal Institute of Nature Management SB RAS.Russian FederationГеологический институт Сибирского отделения Российской академии наук.РоссияGeological Institute SB RAS.Russian FederationИнститут химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук.РоссияInstitute of Chemical Biology and Fundamental Medicine SB RAS.Russian FederationБурятский государственный университет.РоссияBuryat State University.Russian Federation201721012018218959963Copyright © Лаврентьева Е.В., Раднагуруева А.А., Банзаракцаева Т.Г., Базаров С.М., Бархутова Д.Д., Ульзетуева И.Д., Чернявский М.К., Кабилов М.Р., Хахинов В.В., 20182018Лаврентьева Е.В., Раднагуруева А.А., Банзаракцаева Т.Г., Базаров С.М., Бархутова Д.Д., Ульзетуева И.Д., Чернявский М.К., Кабилов М.Р., Хахинов В.В.Lavrentyeva E.V., Radnagurueva A.A., Banzaraktsaeva T.G., Bazarov S.M., Barkhutova D.D., Ulzetueva I.D., Chernyavsky M.K., Kabilov M.R., Khakhinov V.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/1274

В настоящее время в микробной экологии активно применяются методы метагеномного анализа, которые позволяют охарактеризовать таксономический состав и разнообразие микробных сообществ. Гидролитические бактерии, в частности протеолитики, в горячих источниках занимают нишу первичных деструкторов, благодаря способности секретировать фер­менты, активные в широких диапазонах значений рН и температур. Целью данной работы было определение таксономического состава, структуры бактериального микробного мата и выявление пептидаз в термофильном микробном сообществе Гарга. Гидрохимический анализ воды показал высокое содержание сульфатов – 390 мг/дм3. В микроэлементном составе воды отмечены повышенные концентрации B, Rb, Li, Ba и Sr. Проведен анализ таксономического разнообразия микробного мата в горячем источнике Гарга, в температурной зоне 54 °С. Структура микробного мата представлена разнообразными филогенетическими группами мезофильных и термофильных бактерий с различными метаболическими и экологическими функциями. Наибольшую долю в сообществе составил филум Firmicutes (64 %). Анализ собранных метагеномных последовательностей микробного мата позволил впервые систематизировать и дать характеристику выявленных пептидаз в микробном мате горячего источника Гарга. Сравнение метагеномных последовательностей репрезентативных данных выявило доминирование ферментов класса сериновых пептидаз. Природные пептидазы в исследуемом микробном сообществе обеспечивают гидролиз биополимеров на первых этапах деструкции органического вещества и могут представлять биотехнологический интерес.

Hydrolytic bacteria (in particular, proteolytics) are the primary destructors in hot springs. The proteolytic bacteria are able to secrete enzymes that are active in wide ranges of pH and temperature. The aim of this work was to study the taxonomic composition, the structure of the bacterial microbial mat, and to study the distribution of peptidases in the thermophilic microbial Garga community. For the study, we sampled the microbial mat at a water temperature of 54.2 °C and a pH of 8.3. Hydrochemical analysis of water showed a high content of sulfates, 390 mg/dm3. The microelement composition of water showed that the Garga water had increased concentrations of B, Rb, Li, Ba, Sr. We analyzed the taxonomic diversity of the microbial community in the hot spring Garga at a temperature zone of 54 °C. The structure of the microbial mat is represented by various phylogenetic groups of mesophilic and thermophilic bacteria, with various metabolic and ecological functions. The dominant group in this community was the phylum Firmicutes (64 %). The analysis of the collected metagenomic sequences of the microbial community allowed the detected peptidases in the microbial community in the hot spring Garga to be for the first time systematized and characterized. Comparisons of metagenomic sequences of representative data showed a dominance of serine peptidase class enzymes. Natural peptidases in the investigated microbial community ensure the hydrolysis of biopolymers at the first stages of the destruction of organic matter and may have biotechnological relevance.

филогенетический анализмикробное сообществометагеномный анализпептидазыБайкальская рифтовая зонаphylogenetic analysismicrobial communitymetagenomic analysispeptidasesBaikal rift zoneReferencesAndrade C.M., Aguiar W.B., Antranikian G. Physiological aspects involved in production of xylanolytic ensymes by deep-sea hyperthermophilic archaeon Pyrodictium abyssi. Appl. Biochem. Biothechnol. 2001;91-93:655-669.Andrade C.M., Aguiar W.B., Antranikian G. Physiological aspects involved in production of xylanolytic ensymes by deep-sea hyperthermophilic archaeon Pyrodictium abyssi. Appl. Biochem. Biothechnol. 2001;91-93:655-669.Barkhutova D.D., Tsyrenova D.D., Bryanskaya A.V., Danilova E.V., Zaitseva S.V., Namsaraev Z.B. Mikrobnye maty. Geokhimicheskaya deyatel’nost’ mikroorganizmov gidroterm Baykal’skoy riftovoy zony [Microbial mats. Geochemical activity of microorganisms in thermal springs of the Baikal Rift zone]. Novosibirsk: Acad. Publ. House “Geo”, 2011. (in Russian)Barkhutova D.D., Tsyrenova D.D., Bryanskaya A.V., Danilova E.V., Zaitseva S.V., Namsaraev Z.B. Mikrobnye maty. Geokhimicheskaya deyatel’nost’ mikroorganizmov gidroterm Baykal’skoy riftovoy zony [Microbial mats. Geochemical activity of microorganisms in thermal springs of the Baikal Rift zone]. Novosibirsk: Acad. Publ. House “Geo”, 2011. (in Russian)Bergquist P.L., Gibbs M.D., Morris D.D., Teʼo V.S.J., Saul D.J., Morgan H.W. Molecular diversity of thermophilic cellulolytic and hemicellulolytic bacteria. FEMS Microbiol. Ecol. 1999;28:99-110.Bergquist P.L., Gibbs M.D., Morris D.D., Teʼo V.S.J., Saul D.J., Morgan H.W. Molecular diversity of thermophilic cellulolytic and hemicellulolytic bacteria. FEMS Microbiol. Ecol. 1999;28:99-110.Bonch-Osmolovskaya E.A. Thermophilic microorganisms: a general overview. Trudy Instituta mikrobiologii im. S.N. Vinogradskogo. [Gal’chenko V.F. (Ed.) Proceeding of the Winogradsky Institute of Microbiology]. Moscow: Nauka Publ., 2011;5-14. (in Russian)Bonch-Osmolovskaya E.A. Thermophilic microorganisms: a general overview. Trudy Instituta mikrobiologii im. S.N. Vinogradskogo. [Gal’chenko V.F. (Ed.) Proceeding of the Winogradsky Institute of Microbiology]. Moscow: Nauka Publ., 2011;5-14. (in Russian)Grady E.N., MacDonald J., Liu L., Richman A., Yuan Z.-C. Current knowledge and perspectives of Paenibacillus: a review. Microb. Cell Factories. 2016;15:203. DOI 10.1186/s12934-016-0603-7.Grady E.N., MacDonald J., Liu L., Richman A., Yuan Z.-C. Current knowledge and perspectives of Paenibacillus: a review. Microb. Cell Factories. 2016;15:203. DOI 10.1186/s12934-016-0603-7.Gupta R., Beg Q., Lorenz P. Bacterial alkaline proteases: molecular approaches and industrial applications. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2003;59(1):15-32.Gupta R., Beg Q., Lorenz P. Bacterial alkaline proteases: molecular approaches and industrial applications. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2003;59(1):15-32.Kozina I.V., Kublanov I.V., Kolganova T.V., Chernyh N.V., BonchOsmolovskaya E.A. Caldanaerobacter uzonensis sp. nov., an anaerobic, thermophilic, heterotrophic bacterium isolated from a hot spring. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2010;60:1372-1375.Kozina I.V., Kublanov I.V., Kolganova T.V., Chernyh N.V., BonchOsmolovskaya E.A. Caldanaerobacter uzonensis sp. nov., an anaerobic, thermophilic, heterotrophic bacterium isolated from a hot spring. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2010;60:1372-1375.Krishnan T., Chandra A.K. Purification and characterization of α-amylase from Bacillus licheniformis CUMC305. Appl. Environ. Microbiol. 1983;46:430-437.Krishnan T., Chandra A.K. Purification and characterization of α-amylase from Bacillus licheniformis CUMC305. Appl. Environ. Microbiol. 1983;46:430-437.Kublanov I.V., Podosokorska O.A. Thermophilic microorganisms decomposing biopolymers. Trudy Instituta mikrobiologii im. S.N. Vinogradskogo. [Gal’chenko V.F. (Ed.) Proceeding of the Winogradsky Institute of Microbiology]. Moscow: Nauka Publ., 2011;315342. (in Russian)Kublanov I.V., Podosokorska O.A. Thermophilic microorganisms decomposing biopolymers. Trudy Instituta mikrobiologii im. S.N. Vinogradskogo. [Gal’chenko V.F. (Ed.) Proceeding of the Winogradsky Institute of Microbiology]. Moscow: Nauka Publ., 2011;315342. (in Russian)Lomonosov I.S. Geokhimiya i formirovanie sovremennykh gidroterm Baykalskoy riftovoy zony [Geochemistry and Formation of Modern Thermal Springs in the Baikal Rift Zone]. Novosibirsk: Nauka Publ., 1974. (in Russian)Lomonosov I.S. Geokhimiya i formirovanie sovremennykh gidroterm Baykalskoy riftovoy zony [Geochemistry and Formation of Modern Thermal Springs in the Baikal Rift Zone]. Novosibirsk: Nauka Publ., 1974. (in Russian)Mackenzie R., Pedrós-Alió C., Díez B. Bacterial composition of microbial mats in hot springs in Northern Patagonia: variations with seasons and temperature. Extremophiles. 2013;17:123-136. DOI 10.1007/s00792-012-0499-z.Mackenzie R., Pedrós-Alió C., Díez B. Bacterial composition of microbial mats in hot springs in Northern Patagonia: variations with seasons and temperature. Extremophiles. 2013;17:123-136. DOI 10.1007/s00792-012-0499-z.Madigan M.T. Bacterial habitats in extreme environments. Journey to Diverse Microbial. Worlds. 2000; 2:61-72.Madigan M.T. Bacterial habitats in extreme environments. Journey to Diverse Microbial. Worlds. 2000; 2:61-72.Namsaraev Z.B., Zaitseva S.V., Dmitrieva O.M., Barkhutova D.D. Structure and functional activity of microbial mats of the Garga thermal spring (Barguzin valley). Vestnik Buryatskogo gosudarstvennogo universiteta = Bulletin of the Buryat State University. 2011;14а: 231-239. (in Russian)Namsaraev Z.B., Zaitseva S.V., Dmitrieva O.M., Barkhutova D.D. Structure and functional activity of microbial mats of the Garga thermal spring (Barguzin valley). Vestnik Buryatskogo gosudarstvennogo universiteta = Bulletin of the Buryat State University. 2011;14а: 231-239. (in Russian)Oliveira A.S., Xavier-Filho J., Sales M.P. Cysteine proteinases and cystatins. Brazil. Arch. Biol. Technol. 2003;46(1):91-104.Oliveira A.S., Xavier-Filho J., Sales M.P. Cysteine proteinases and cystatins. Brazil. Arch. Biol. Technol. 2003;46(1):91-104.Portillo M.C., Sririn V., Kanoksilapatham W., Gonzalez J.M. Differential microbial communities in hot spring mats from Western Thailand. Extremophiles. 2009; 13(2):321-331. DOI 10.1007/s00792008-0219-x.Portillo M.C., Sririn V., Kanoksilapatham W., Gonzalez J.M. Differential microbial communities in hot spring mats from Western Thailand. Extremophiles. 2009; 13(2):321-331. DOI 10.1007/s00792008-0219-x.Radnagurueva A.A., Lavrentieva E.V., Budagaeva V.G., Barkhutova D.D., Namsaraev B.B., Dunaevsky Y.E. Organotrophic bacteria of the Baikal Rift Zone hot springs. Microbiology (Mikrobiologiya). 2016;85(3):367-378.Radnagurueva A.A., Lavrentieva E.V., Budagaeva V.G., Barkhutova D.D., Namsaraev B.B., Dunaevsky Y.E. Organotrophic bacteria of the Baikal Rift Zone hot springs. Microbiology (Mikrobiologiya). 2016;85(3):367-378.Rao M.B., Tanksale A.M., Ghatge M.S., Deshpande V.V. Molecular and biotechnological aspects of microbial proteases. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1998;62(3):597-635.Rao M.B., Tanksale A.M., Ghatge M.S., Deshpande V.V. Molecular and biotechnological aspects of microbial proteases. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1998;62(3):597-635.Thibault V., Lovejoy C., Jungblut A.D., Vincent W.F., Corbeil J. Metagenomic profiling of Arctic microbial mat communities as nutrient scavenging and recycling systems. Limnol. Oceanogr. 2010; 55(5):1901-1911. DOI 10.4319/lo.2010.55.5.190.Thibault V., Lovejoy C., Jungblut A.D., Vincent W.F., Corbeil J. Metagenomic profiling of Arctic microbial mat communities as nutrient scavenging and recycling systems. Limnol. Oceanogr. 2010; 55(5):1901-1911. DOI 10.4319/lo.2010.55.5.190.Uhl A.M., Daniel R.M. The first description of an archaeal hemicellulase: the xylanase from Thermococcus zilligii AN1. Extremophiles. 1999;3:263-267.Uhl A.M., Daniel R.M. The first description of an archaeal hemicellulase: the xylanase from Thermococcus zilligii AN1. Extremophiles. 1999;3:263-267.Ward D.E., Shockley K.R., Chang L.S., Levy R.D., Michel J.K., Conners S.B., Kelly R.M. Proteolysis in hyperthermophilic microorganisms. Archaea. 2002;1:63-74.Ward D.E., Shockley K.R., Chang L.S., Levy R.D., Michel J.K., Conners S.B., Kelly R.M. Proteolysis in hyperthermophilic microorganisms. Archaea. 2002;1:63-74.Zamana L.V., Khakhinov V.V., Danilova E.V., Barkhutova D.D. Hydrochemistry of mineral waters. Geokhimicheskaya deyatelnost mikroorganizmov gidroterm Baykalskoy riftovoy zony [Geochemical activity of microorganisms in thermal springs of the Baikal Rift zone]. Novosibirsk: Acad. Publ. House “Geo”, 2011;62-101. (in Russian)Zamana L.V., Khakhinov V.V., Danilova E.V., Barkhutova D.D. Hydrochemistry of mineral waters. Geokhimicheskaya deyatelnost mikroorganizmov gidroterm Baykalskoy riftovoy zony [Geochemical activity of microorganisms in thermal springs of the Baikal Rift zone]. Novosibirsk: Acad. Publ. House “Geo”, 2011;62-101. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.