Lacustrine Nostoc (Nostocales) and associated microbiome generate a new type of modern clotted microbialite

Abstract

Microbialites are mineral formations formed by microbial communities that are often dominated by cyanobacteria. Carbonate microbialites, known from Proterozoic times through the present, are recognized for sequestering globally significant amounts of inorganic carbon. Recent ecological work has focused on microbial communities dominated by cyanobacteria that produce microbial mats and laminate microbialites (stromatolites). However, the taxonomic composition and functions of microbial communities that generate distinctive clotted microbialites (thrombolites) are less well understood. Here, microscopy and deep shotgun sequencing were used to characterize the microbiome (microbial taxa and their genomes) associated with a single cyanobacterial host linked by 16S sequences to Nostoc commune Vaucher ex Bornet & Flahault, which dominates abundant littoral clotted microbialites in shallow, subpolar, freshwater Laguna Larga in southern Chile. Microscopy and energy‐dispersive X‐ray spectroscopy suggested the hypothesis that adherent hollow carbonate spheres typical of the clotted microbialite begin development on the rigid curved outer surfaces of the Nostoc balls. A surface biofilm included >50 nonoxygenic bacterial genera (taxa other than Nostoc) that indicate diverse ecological functions. The Laguna Larga Nostoc microbiome included the sulfate reducers Desulfomicrobium and Sulfospirillum and genes encoding all known proteins specific to sulfate reduction, a process known to facilitate carbonate deposition by increasing pH. Sequences indicating presence of nostocalean and other types of nifH, nostocalean sulfide:ferredoxin oxidoreductase (indicating anoxygenic photosynthesis), and biosynthetic pathways for the secondary products scytonemin, mycosporine, and microviridin toxin were identified. These results allow comparisons with microbiota and microbiomes of other algae and illuminate biogeochemical roles of ancient microbialites.

Why we need more algal metagenomes1

“…Discovery‐based WMS analyses have been reported for the lacustrine cyanobacterium Nostoc commune (Graham et al. , Fig. 1a), the streptophyte green algae Coleochaete pulvinata (Fig.…”

“…Full aerobic and anaerobic vitamin B 12 biosynthetic pathways have also been inferred for microbiomes of the multicellular cyanobacterium N. commune (Graham et al. ) and the streptophyte green algae Coleochaete pulvinata and Chaetosphaeridium globosum (Knack et al. ), in addition to presence of rhizobialean bacteria.…”

“…(A–C) Three algal microbiome systems that have been described in recent publications (Graham et al. , , Knack et al. ).…”

Análise genômica e funcional da cianobactéria Nostoc sp. CENA67 e caracterização da sua comunidade microbiana associada

“…Algumas análises transcritômicas fornecem suporte a essa observação, e também indicam que uma situação semelhante pode ser observada em relação ao nitrogênio fixado por cianobactérias diazotróficas em cocultivo com bactérias heterotróficas (BELIAEV et al, 2014). Além do trabalho presente, a associação entre cianobactérias diazotróficas e outras bactérias também potencialmente diazotróficas, bem como associações entre cianobactérias e bactérias fotossintéticas anoxigênicas ou bactérias mais comumente encontradas em raízes de plantas, foi relatada anteriormente (GRAHAM et al, 2014;SÁNCHEZ et al, 2005). A fixação de nitrogênio pode estimular a simbiose mesmo entre cianobactérias de espécies diazotróficas (MOMPER et al, 2015).…”

“…Em relação à captação de ferro, indispensável para a fotossíntese e para a fixação de nitrogênio, entre outros processos, algumas bactérias associadas a cianobactérias são capazes de adquirir esse elemento a partir de fontes diversas, e em taxas maiores que a cianobactéria à qual se associam (ROE et al, 2012), e é possível que haja utilização pela cianobactéria de parte do ferro captado por uma bactéria associada (BELIAEV et al, 2014 (GRAHAM et al, 2014). Alta expressão de microviridina foi observada em uma floração de Microcystis, o que estimou-se não somente contribuir para sua dominância competitiva, mas também conferir propriedades antipredatórias à comunidade (PENN et al, 2014).…”