Molecular phylogeny of Archaea in boreal forest soil, freshwater and temperate estuarine sediment

Suurin osa luonnossa havaitsemistamme mikrobeista on sellaisia, joita emme edelleenkään osaa kasvattaa laboratorio-oloissa, vaikka tietomme mikrobien monimuotoisuudesta paranevat koko ajan. Luonnontilaisen mikrobieliöstön kokoonpano eri ympäristöissä on paljolti epäselvä ja ymmärrämme vielä hyvin puutteellisesti mikrobien ekologiaa ja niiden rooleja eliöyhteisöissä. Nykyaikaiset molekulaariset tutkimusmenetelmät auttavat selvittämään mikrobien monimuotoisuutta kokonaisvaltaisesti ja nopeasti. Ympäristöstä kemiallisesti puhdistetut ribosomaalista RNA:ta koodaavat geenit edustavat periaatteessa kaikkia eliöyhteisön geneettisesti toisistaan poikkeavia eliöitä. Niistä voidaan valikoida halutut genomit jatkotutkimuksia varten. Uusien menetelmien käyttö on tuonut esiin sen merkittävän seikan, että "tavanomaisten" elinympäristöjen eliöyhteisöihin kuuluu suuri joukko entuudestaan tuntemattomia arkkieliöitä. Aiemmin kuviteltiin, että arkkieliöt asuttavat vain sellaisia "epätavallisia" tai "äärimmäisiä" elinympäristöjä, joita luonnehtii joku seuraavista ominaisuuksista: hyvin korkea lämpötila, korkea suolapitoisuus, korkea happamuus tai emäksisyys, hapettomuus. Tutkijat ovat viimeisen noin kymmenen vuoden aikana osoittaneet, että arkkieliöt asuttavat hyvin monenlaisia kylmän ja lauhkean vyöhykkeen ympäristöjä, yhtä hyvin maaperää kuin suolaisen ja makean veden pohjaa tai pintakerroksia. Nämä löydöt ovat avanneet uuden alun arkkieliöiden tutkimukselle, erityisesti sen selvittämiselle, mitkä ovat niiden fysiologiset ja ekologiset roolit monimuotoisissa mikrobiyhteisöissä. Tämä väitöskirja kuvaa entuudestaan tuntemattomien arkkieliöiden löytymistä havumetsävyöhykkeen metsämaasta. Arkkieliöitä löytyi myös lauhkean vyöhykkeen vuorovesialueelta, murtoveden huuhtelemasta pohjasta. Nämä löydöt ovat perustavalaatuisia vuorovesialueen eliöyhteisöjen ymmärtämiseksi. Suomalaisen metsäjärven vedestä määritettiin molempien arkkieliöiden pääryhmien - tieteellisiltä nimiltään Crenarchaeota ja Euryarchaeota - edustajia. Euryarchaeota-ryhmän edustajia voitiin havainnoida myös fluoresenssi-mikroskopoinnilla. Löydöt viittaavat siihen, että arkkieliöillä on oma biogeokemiallinen roolinsa makeanveden ravintoketjujen hiilen käytössä. Tässä työssä määritetyt uudet arkkieliöiden genomien nukleotidisekvenssit on toimitettu ARB-tietokantaan, jonka kasvava vertailuaineisto edelleen parantaa uusien arkkieliösekvenssien analyysiä ja auttaa hybridisaatiokoetinten ja polymeraasiketjureaktioalukkeiden suunnittelussa ja arvioinnissa. Tässä väitöskirjassa esitellyt tulokset yhdessä lukuisien vesi-, maaperä- ja muiden ympäristöjen arkkieliöitä käsittelevien julkaisujen kanssa osoittavat, että arkkieliöt asuttavat monia erilaisia elinympäristöjä ja että ne ovat ekologisesti paljon menestyneempiä, kuin tieteenalalla on kuviteltu. Voimme olettaa, että heti kun joitain näistä eliöistä onnistutaan kasvattamaan ja ylläpitämään laboratorio-oloissa, niiden joukosta löydetään aivan uusia, entuudestaan tuntemattomia fysiologisia fenotyyppejä, jotka avaavat mielenkiintoisia näkymiä aineenvaihdunnan ja perinnöllisten ominaisuuksien tutkimukselle.

Archaea, Bacteria, and methane production along environmental gradients in fens and bogs

Metanogeenit ovat hapettomissa oloissa eläviä arkkien pääryhmään kuuluvia mikrobeja, joiden ainutlaatuisen aineenvaihdunnan seurauksena syntyy metaania. Ilmakehässä metaani on voimakas kasvihuonekaasu. Yksi suurimmista luonnon metaanilähteistä ovat kosteikot. Pohjoisten soiden metaanipäästöt vaihtelevat voimakkaasti eri soiden välillä ja yhden suon sisälläkin, riippuen muun muassa vuodenajasta, suotyypistä ja kasvillisuudesta. Väitöskirjatyössä tutkittiin metaanipäästöjen vaihtelun mikrobiologista taustaa. Tutkimuksessa selvitettiin suotyypin, vuodenajan, tuhkalannoituksen ja turvesyvyyden vaikutusta metanogeeniyhteisöihin sekä metaanintuottoon kolmella suomalaisella suolla. Lisäksi tutkittiin ei-metanogeenisia arkkeja ja bakteereita, koska ne muodostavat metaanin tuoton lähtöaineet osana hapetonta hajotusta. Mikrobiyhteisöt analysoitiin DNA- ja RNA-lähtöisillä, polymeraasiketjureaktioon (PCR) perustuvilla menetelmillä. Merkkigeeneinä käytettiin metaanin tuottoon liittyvää mcrA-geeniä sekä arkkien ja bakteerien ribosomaalista 16S RNA-geeniä. Metanogeeniyhteisöt ja metaanintuotto erosivat huomattavasti happaman ja vähäravinteisen rahkasuon sekä ravinteikkaampien sarasoiden välillä. Rahkasuolta löytyi lähes yksinomaan Methanomicrobiales-lahkon metanogeeneja, jotka tuottavat metaania vedystä ja hiilidioksidista. Sarasoiden metanogeeniyhteisöt olivat monimuotoisempia, ja niillä esiintyi myös asetaattia käyttäviä metanogeeneja. Vuodenaika vaikutti merkittävästi metaanintuottoon. Talvella havaittiin odottamattoman suuri metaanintuottopotentiaali sekä viitteitä aktiivisista metanogeeneista. Arkkiyhteisön koostumus sen sijaan vaihteli vain vähän. Tuhkalannoitus, jonka tarkoituksena on edistää puiden kasvua ojitetuilla soilla, ei merkittävästi vaikuttanut metaanintuottoon tai -tuottajiin. Ojitetun suon yhteisöt kuitenkin muuttuivat turvesyvyyden mukaan. Vertailtaessa erilaisia PCR-menetelmiä todettiin, että kolmella mcrA-geeniin kohdistuvalla alukeparilla havaittiin pääosin samat ojitetun suon metanogeenit, mutta lajien runsaussuhteet riippuvat käytetyistä alukkeista. Soilla havaitut bakteerit kuuluivat pääjaksoihin Deltaproteobacteria, Acidobacteria ja Verrucomicrobia. Lisäksi löydettiin Crenarchaeota-pääjakson ryhmiin 1.1c ja 1.3 kuuluvia ei-metanogeenisia arkkeja. Tulokset ryhmien esiintymisestä hapettomassa turpeessa antavat lähtökohdan selvittää niiden mahdollisia vuorovaikutuksia metanogeenien kanssa. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että metanogeeniyhteisön koostumus heijastaa metaanintuottoon vaikuttavia kemiallisia tai kasvillisuuden vaihteluita kuten suotyyppiä. Soiden metanogeenien ja niiden fysiologian parempi tuntemus voi auttaa ennustamaan ympäristömuutosten vaikutusta soiden metaanipäästöihin.

Archaea in the Mycorrhizosphere of Boreal Forest Trees

Archaea were long thought to be a group of ancient bacteria, which mainly lived in extreme environments. Due to the development of DNA sequencing methods and molecular phylogenetic analyses, it was shown that the living organisms are in fact divided into three domains; the Archaea, Bacteria and the Eucarya. Since the beginning of the previous decade, it was shown that archaea generally inhabit moderate environments and that these non-extremophilic archaea are more ubiquitous than the extremophiles. Group 1 of non-extreme archaea affiliate with the phylum Crenarchaeota. The most commonly found soil archaea belong to the subgroup 1.1b. However, the Crenarchaeota found in the Fennoscandian boreal forest soil belong to the subgroup 1.1c. The organic top layer of the boreal forest soil, the humus, is dominated by ectomycorrhizal fungal hyphae. These colonise virtually all tree fine root tips in the humus layer and have been shown to harbour distinct bacterial populations different from those in the humus. The archaea have also been shown to colonise both boreal forest humus and the rhizospheres of plants. In this work, studies on the archaeal communities in the ectomycorrhizospheres of boreal forest trees were conducted in microcosms. Archaea belonging to the group 1.1c Crenarchaeota and Euryarchaeota of the genera Halobacterium and Methanolobus were detected. The archaea generally colonised fungal habitats, such as ectomycorrhizas and external mycelia, rather than the non-mycorrhizal fine roots of trees. The species of ectomycorrhizal fungus had a great impact on the archaeal community composition. A stable euryarchaeotal community was detected especially in the mycorrhizas, of most of the tested Scots pine colonising ectomycorrhizal fungi. The Crenarchaeota appeared more sporadically in these habitats, but had a greater diversity than the Euryarchaeota. P. involutus mycorrhizas had a higher diversity of 1.1c Crenarchaeota than the other ectomycorrhizal fungi. The detection level of archaea in the roots of boreal trees was generally low although archaea have been shown to associate with roots of different plants. However, alder showed a high diversity of 1.1c Crenarchaeota, exceeding that of any of the tested mycorrhizas. The archaeal 16S rRNA genes detected from the non-mycorrhizal roots were different from those of the P. involutus mycorrhizas. In the phylogenetic analyses, the archaeal 16S rRNA gene sequences obtained from non-mycorrhizal fine roots fell in a separate cluster within the group 1.1c Crenarchaeota than those from the mycorrhizas. When the roots of the differrent tree species were colonised by P. involutus, the diversity and frequency of the archaeal populations of the different tree species were more similar to each other. Both Cren- and Euryarchaeota were enriched in cultures to which C-1 substrates were added. The 1.1c Crenarchaeota grew anaerobically in mineral medium with CH4 and CO2 as the only available C sources, and in yeast extract media with CO2 and CH4 or H2. The crenarchaeotal diversity was higher in aerobic cultures on mineral medium with CH4 or CH3OH than in the anaerobic cultures. Ecological functions of the mycorrhizal 1.1c Crenarchaeota in both anaerobic and aerobic cycling of C-1 compounds were indicated. The phylogenetic analyses did not divide the detected Crenarchaeota into anaerobic and aerobic groups. This may suggest that the mycorrhizospheric crenarchaeotal communities consist of closely related groups of anaerobic and aerobic 1.1c Crenarchaeota, or the 1.1c Crenarchaeota may be facultatively anaerobic. Halobacteria were enriched in non-saline anaerobic yeast extract medium cultures in which CH4 was either added or produced, but were not detected in the aerobic cultures. They may potentially be involved in anaerobic CH4 cycling in ectomycorrhizas. The CH4 production of the mycorrhizal samples was over 10 times higher than for humus devoid of mycorrhizal hyphae, indicating a high CH4 production potential of the mycorrhizal metanogenic community. Autofluorescent methanogenic archaea were detected by microscopy and 16S rRNA gene sequences of the genus Methanolobus were obtained. The archaeal community depended on both tree species and the type of ectomycorrhizal fungus colonising the roots and the Cren- and Euryarchaeota may have different ecological functions in the different parts of the boreal forest tree rhizosphere and mycorrhizosphere. By employing the results of this study, it may be possible to isolate both 1.1c Crenarchaeota as well as non-halophilic halobacteria and aerotolerant methanogens from mycorrhizospheres. These archaea may be used as indicators for change in the boreal forest soil ecosystem due to different factors, such as exploitations of forests and the rise in global temperature. More information about the microbial populations with apparently low cell numbers but significant ecological impacts, such as the boreal forest soil methanogens, may be of crucial importance to counteract human impacts on such globally important ecosystems as the boreal forests.