條件異養菌參與發生藻華時溶解性有機物轉化的機制
發表期刊：Microbiome
發表時間：2021年
影響因子：14.650
合作客戶：廈門大學
百趣生物提供服務：定制靶標代謝組學
研究背景
藻華引發的浮游植物的大量繁殖在沿海地區經常發生，這會導致有機物的產量增加,從而決定機會主義異養菌的生長。然而,目前尚不清楚這些機會主義異養菌如何在藻華發生時參與溶解性有機物（DOM）的轉化以及對生物地球化學過程的影響。
研究思路及結果
分別在藻華穩定期的早期(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，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(相關性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，這些物質可能在塑造微生物群落結構和促進機會主義異養菌蓬勃發展方面發揮重要作用。
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。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生了變化(圖2b)。在II期，不考慮與粒子相關的和自由活動的大小分數，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迅速響應，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分別占各自屬數的6-74%、68-82%、46-80%和53-67%(圖2a)為藻華優勢種。
圖2 16S rRNA基因序列測定的藻華細菌類群動態
3. 藻華期間的可培養細菌
總共216株菌株分為Alphaproteobacteria(81株)、Gammaproteobacteria(74株)、Flavobacteriia(15株)、Bacilli(40株)和Actinobacteria(5株)。根據藻華過程中微生物群落的豐度，以優勢菌株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)屬于優勢類群，未分離到浮游植物。這一結果與它們在藻華時期的微生物群落中的豐度相反，使我們推測富營養的培養基可能抑制了優勢菌。結果表明，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限制，只有少數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，如遺傳物質的減少和優化。P. marinivivus、L. algarum、L. marina也表現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轉運相關的基因，尤其是氨基酸、肽和核苷酸。將屬于相應級別的參考菌株對各種含氮底物的轉運潛力進行比較，結果表明，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的轉運體。基因組結果顯示，優勢分離株的基因數量減少了，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. 蛋白質組學分析分離株對藻華DOM的響應
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培養基中的細菌蛋白表達比例幾乎達到了富營養的海洋肉湯培養基59-80%的水平。蛋白質組學分析顯示，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組學反應
6. 分離株對DOM成分的吸收
代謝物攝取量是指，在穩定期結束時，與未接種的對照培養基相比，從培養基中消耗的代謝物的百分比。培養基中總共85種化合物顯著減少(p < 0.05，T檢驗)，每種代謝物的攝取至少為20%，其中包括氨基酸及其衍生物(包括二肽)、脂質、核苷酸和核苷以及吲哚衍生物。耗盡曲線顯示了三個分離株之間底物利用的巨大差異。
圖5 三個分離株在生長過程中對藻華中DOM特定代謝物的吸收這項研究結合野外和實驗室實驗來評估甲藻藻華來源的有機物對機會主義異養菌的生物可利用性。這些機會主義異養菌的代表(P. marinivivus、L. algarum and l . marina)表現出基因組精簡的特征，在含氮DOM代謝物的吸收和代謝中表現出了高的蛋白表達，揭示了這些機會主義異養菌利用藻華有機物的適應性策略，從而促使它們在富DOM但銨鹽耗盡的藻華穩定期占據優勢。
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