H218Oで定量的に安定した同位体プロービングを介して比較された微生物RRNA合成と成長

成長する細菌は、ゲノムの複製と細胞分裂に必要な十分なタンパク質合成を確保するために、高濃度のリボソームを持っています。土壌微生物の代謝活性が成長と結びついているかどうかを解明するために、H218Oで定量的安定同位体探査（QSIP）を使用して、土壌細菌群集のRRNAとDNA合成の関係を調査しました。ほとんどの土壌細菌分類群は代謝的に活性で成長し、H218Oとインキュベートした土壌から抽出されたDNAとRNAの同位体組成の間に有意差はありませんでした。DNAの18O含有量と分類群のrRNAの間の正の相関は、1（勾配= 0.96; 95％信頼区間[CI]、0.90〜1.02）と統計的に区別できない勾配との相関が、新しいDNAを合成せずに新しいRRNAを作ったことを示した。シーケンスライブラリから得られたrRNAとDNA比とDNAまたはrRNAの原子パーセント過剰（APE）18O値の間に相関はありませんでした。これは、rRNAとDNAの比率が微生物成長またはrRNA合成の貧弱な指標であることを示唆しています。我々の結果は、代謝活動が細胞分裂に強く結びついており、非分化分類群が土壌代謝活動を支配しないことを示唆しているという概念を支持します。H218Oの微生物RNAとDNAの定量的安定同位体プローブを使用して、ほとんどの土壌分類群が代謝的に活性であり、それらの核酸が18oで有意に標識されているため、成長します。新しいrRNAを作る集団の大部分も成長します。これは、ほとんどの土壌分類群が休眠しているという一般的なパラダイムに反対しています。さらに、我々の結果は、環境内の活性微生物集団を識別するために頻繁に使用される相対配列存在量ベースのRNAとDNA比が、土壌微生物群集内の代謝的に活性な分類群の数を過小評価していることを示しています。

Growing bacteria have a high concentration of ribosomes to ensure sufficient protein synthesis, which is necessary for genome replication and cellular division. To elucidate whether metabolic activity of soil microorganisms is coupled with growth, we investigated the relationship between rRNA and DNA synthesis in a soil bacterial community using quantitative stable isotope probing (qSIP) with H218O. Most soil bacterial taxa were metabolically active and grew, and there was no significant difference between the isotopic composition of DNA and RNA extracted from soil incubated with H218O. The positive correlation between 18O content of DNA and rRNA of taxa, with a slope statistically indistinguishable from 1 (slope = 0.96; 95% confidence interval [CI], 0.90 to 1.02), indicated that few taxa made new rRNA without synthesizing new DNA. There was no correlation between rRNA-to-DNA ratios obtained from sequencing libraries and the atom percent excess (APE) 18O values of DNA or rRNA, suggesting that the ratio of rRNA to DNA is a poor indicator of microbial growth or rRNA synthesis. Our results support the notion that metabolic activity is strongly coupled to cellular division and suggest that nondividing taxa do not dominate soil metabolic activity.IMPORTANCE Using quantitative stable isotope probing of microbial RNA and DNA with H218O, we show that most soil taxa are metabolically active and grow because their nucleic acids are significantly labeled with 18O. A majority of the populations that make new rRNA also grow, which argues against the common paradigm that most soil taxa are dormant. Additionally, our results indicate that relative sequence abundance-based RNA-to-DNA ratios, which are frequently used for identifying active microbial populations in the environment, underestimate the number of metabolically active taxa within soil microbial communities.