條件異養(yǎng)菌參與發(fā)生藻華時溶解性有機物轉(zhuǎn)化的機制

 

文章標題：Opportunistic bacteria with reduced genomes are effective competitors for organic nitrogen compounds in coastal dinoflagellate blooms

發(fā)表期刊：Microbiome

發(fā)表時間：2021年

影響因子：14.650

合作客戶：廈門大學

百趣生物提供服務(wù)：定制靶標代謝組學

 

研究背景

藻華引發(fā)的浮游植物的大量繁殖在沿海地區(qū)經(jīng)常發(fā)生，這會導致有機物的產(chǎn)量增加,從而決定機會主義異養(yǎng)菌的生長。然而,目前尚不清楚這些機會主義異養(yǎng)菌如何在藻華發(fā)生時參與溶解性有機物（DOM）的轉(zhuǎn)化以及對生物地球化學過程的影響。

 

研究思路及結(jié)果

分別在藻華穩(wěn)定期的早期(I階段)和中期(II階段)的中心(C)和外圍(P)位置取樣。使用基因組、蛋白質(zhì)組和代謝組的組合方法來研究細菌多樣性、基因組特征和代謝響應(yīng)，以此評估在春季沿海藻華中DOM的來源和可利用性。

 

1. 非靶向代謝組學分析原位DOM的表征

在藻華中共鑒定到434種化合物，包括包括氨基酸及其衍生物(包括二肽)、脂類、核苷酸和核苷、碳水化合物及其衍生物、吲哚、有機酸和苯類化合物。與站位P相比，檢測化合物中約92%在站位C的豐度較高，約85%在II階段的豐度高于I階段。代謝物豐度的增加與藻華過程中的DOM的增加呈正相關(guān)(相關(guān)性R=0.77，p=0.002)。氨基酸、肽類、核苷酸和核苷是藻華的重要組成部分，這些物質(zhì)可能在塑造微生物群落結(jié)構(gòu)和促進機會主義異養(yǎng)菌蓬勃發(fā)展方面發(fā)揮重要作用。

圖1 藻華中溶解有機物成分的表征
 

 

2. 藻華期間細菌群落組成的演替

利用16S rRNA基因序列測定細菌類群在藻華期間的動態(tài)。階段I和階段II在屬水平上的微生物群落組成存在顯著差異(q < 0.05, ANOSIMS)。第一階段和第二階段細菌群落的主成分分析顯示，相對豐度下降和增加的屬之間存在明顯的分離，這表明在藻華期間微生物群落組成發(fā)生了變化(圖2b)。在II期，不考慮與粒子相關(guān)的和自由活動的大小分數(shù)，Polaribacter、Lentibacter、Planktomarina和Litoricola的細菌相對豐度均顯著增加(q < 0.05)。這表明它們可以對新鮮好利用的有機質(zhì)迅速響應(yīng)，并在競爭中勝過其他最初更豐富的類群。在物種水平上，Polaribacter marinivivus、Lentibacter algarum、Planktomarina temperata和Litoricola marina分別占各自屬數(shù)的6-74%、68-82%、46-80%和53-67%(圖2a)為藻華優(yōu)勢種。

圖2 16S rRNA基因序列測定的藻華細菌類群動態(tài)
 

 

3. 藻華期間的可培養(yǎng)細菌

總共216株菌株分為Alphaproteobacteria(81株)、Gammaproteobacteria(74株)、Flavobacteriia(15株)、Bacilli(40株)和Actinobacteria(5株)。根據(jù)藻華過程中微生物群落的豐度，以優(yōu)勢菌株Polaribacter marinivivus LXJ4 、Lentibacter algarum HYO3 和Litoricola marina HY2016為代表，進一步分析藻華的代謝機制。其中Lentibacter(5株)、Polaribacter(2株)和Litoricola(1株)屬于優(yōu)勢類群，未分離到浮游植物。這一結(jié)果與它們在藻華時期的微生物群落中的豐度相反，使我們推測富營養(yǎng)的培養(yǎng)基可能抑制了優(yōu)勢菌。結(jié)果表明，盡管在藻華期間DOM的增加支持了細菌的生長，但可能仍然存在一些營養(yǎng)限制，只有少數(shù)豐度顯著的群體迅速擴大。

 

4. 比較3個代表性菌株與參考菌株的基因組性狀

在藻華細菌群落中，SAR11分支的基因組高度精簡，Planktomarina temperata也顯示了基因組精簡的特征，如遺傳物質(zhì)的減少和優(yōu)化。P. marinivivus、L. algarum、L. marina也表現(xiàn)出基因組精簡的特征(圖3)。

與其他非基因組精簡的菌株相比，本研究中的分離株編碼了大量與DON轉(zhuǎn)運相關(guān)的基因，尤其是氨基酸、肽和核苷酸。將屬于相應(yīng)級別的參考菌株對各種含氮底物的轉(zhuǎn)運潛力進行比較，結(jié)果表明，與D. donghaensis MED134相比，P. marinivivus具有更強的脯氨酸、蘇氨酸和維生素B12轉(zhuǎn)運能力；與N.caesariensis MED92相比，L. marina有更多的精氨酸、半胱氨酸、賴氨酸、蘇氨酸、堿基、核苷、嘌呤和維生素B12的轉(zhuǎn)運體。基因組結(jié)果顯示，優(yōu)勢分離株的基因數(shù)量減少了，但功能并沒有缺失，且DON尤其是氨基酸、肽和核苷酸的轉(zhuǎn)運和利用能力得以保留。

圖3 三個代表性分離株與參考菌株的基因組特征
 

 

5. 蛋白質(zhì)組學分析分離株對藻華DOM的響應(yīng)

在生長過程中共鑒定出1735個、1722個和1067個蛋白，分別占P. marinivivus、L. algarum和L. marina基因組的71.7%、52.8%和46.2%。藻華DOM培養(yǎng)基中的細菌蛋白表達比例幾乎達到了富營養(yǎng)的海洋肉湯培養(yǎng)基59-80%的水平。蛋白質(zhì)組學分析顯示，預測基因在每個COG功能組中均有50%以上的表達，重點分析了轉(zhuǎn)運蛋白、肽酶、GH、多糖利用位點(PUL)等核心蛋白在三個菌株中的表達情況。

圖4 三個分離株生長過程中的蛋白質(zhì)組學反應(yīng)