Die natürliche Geschichte der Stickstofffixierung

In den letzten Jahren wurde unser Verständnis der biologischen Stickstofffixierung durch eine Vielzahl wissenschaftlicher Techniken gestärkt. Dennoch war der Ursprung und die aktuelle Verbreitung der Stickstofffixierung aus phylogenetischer Sicht verwirrend, hauptsächlich aufgrund von Faktoren, die die molekulare Phylogenie komplizieren, wie Sequenzdivergenz, Paralogie und horizontaler Gentransfer. Hier verwenden wir 110 öffentlich verfügbare vollständige Genomsequenzen, um zu verstehen, wie die Kernkomponenten der Nitrogenase, einschließlich der NifH-, NifD-, NifK-, NifE- und NifN-Proteine, sich entwickelt haben. Diese Gene sind universell in stickstofffixierenden Organismen - typischerweise innerhalb hoch konservierter Operons zu finden - und haben insgesamt bemerkenswert kongruente phylogenetische Geschichten. Zusätzliche Hinweise auf die frühen Ursprünge dieses Systems finden sich in zwei verschiedenen Claden von Nitrogenase-Paralogen: einer Gruppe, die aus Genen besteht, die für die Biosynthese photosynthetischer Pigmente essenziell sind, und einer Gruppe uncharakterisierter Gene, die in Methanogenen und einigen photosynthetischen Bakterien vorhanden sind. Wir untersuchen die komplexe genetische Geschichte der Nitrogenase-Familie, die reich an Genverdopplung, Rekrutierung, Fusion und horizontalem Gentransfer ist, und diskutieren diese Ereignisse im Licht der hypothesisierten Präsenz der Nitrogenase im letzten gemeinsamen Vorfahren moderner Organismen sowie der zusätzlichen Möglichkeit, dass die Stickstofffixierung später entstanden sein könnte, möglicherweise in methanogenen Archaeen, und anschließend in das bakterielle Gebiet übertragen wurde.