ISME Journal (IF 11.217)：空間代謝組助力植物-藍藻共生關系研究
泥炭蘚與藍藻之間的相互作用在陸地碳氮循環過程中發揮著重要作用。了解交換的代謝物、相關的生理過程以及共生形成的環境條件，對于更好地理解這些相互作用背后的機制非常重要。2022年4月，美國橡樹嶺國家實驗室Alyssa A. Carrell等團隊在ISME Journal (IF 11.217)上發表了題為“Novel metabolic interactions and environmental conditions mediate the boreal peatmoss-cyanobacteria mutualism ”的文章。該文使用交叉喂養的方法，通過空間代謝組、非靶向代謝組和宏轉錄組學來表征泥炭蘚（Sphagnum）和念珠藻屬藍藻（Nostoc cyanobacteria）之間的共生關系，闡明了廣泛存在的植物-藍藻共生的環境、代謝和生理基礎，對預測泥炭地生態系統的碳和氮循環以及一般宿主-微生物相互作用的基礎具有重要意義。
研究材料
細胞、培養基
技術路線
步驟1：不同pH條件對泥炭蘚-念珠藻共生關系的影響；
步驟2：代謝交叉喂養研究；
步驟3：空間代謝組學研究;
步驟4：宏轉錄組學研究。
研究結果
1. 不同pH條件對泥炭蘚-念珠藻共生關系的影響
作者經過前期的研究從念珠藻屬多種菌株中選擇了具有共生能力的菌株N. muscorum UTEX 1037進行后續的研究，在 pH 3.5、5.5 和8.5下培養無菌S.angustifolium和N. muscorum UTEX 1037。通過比較S. angstifolium與N. muscorum UTEX 1037（念珠藻/泥炭蘚）共生的生長，相對于單獨的個體生長和個體生長的總和（念珠藻 + 泥炭蘚）來評估共生結果。結果發現在低pH（3.5）環境中，共生有明顯的益處：當物種在這些條件下一起生長時，重量的變化大于個體生長的總和。然而，在pH值為5.5或8.5時，沒有明顯觀察到生長益處（圖1）。
圖1 不同pH條件對泥炭蘚和念珠藻干重增長分析
2. 代謝交叉喂養研究
在低pH條件下觀察到的S. angustifolium和N. muscorum UTEX 1037的生長益處表明了一種互惠共生關系，這促使作者對介導這種相互作用的代謝交換進行表征。因此評估了共生體的每個伙伴在新鮮液體培養基中生長時釋放的代謝物，以及交叉喂養給其他伙伴時，用過的培養基中釋放的外代謝物豐度的變化。結果顯示從單個伙伴用過的培養基中鑒定出225種外代謝產物，在這些產物中，N. muscorum UTEX 1037消耗了S. angustifolium外代謝物的 53%，S. angustifolium消耗了N. muscorum UTEX 1037外代謝物的28%（圖2）。
圖2 實驗設計與方法
為了進一步表征代謝物交換，將喂養前后豐度發生顯著（p < 0.05）變化的外代謝物分為氨基酸、碳水化合物、脂肪酸及其結合物、脂類、核苷酸和核苷以及有機酸六類，N. muscorum UTEX 1037 消耗了S. angustifolium外代謝物每個化學類別中較大的百分比，如75%的氨基酸、77%的碳水化合物、50% 的脂肪酸等。S. angustifolium消耗了 N. muscorum UTEX 1037外代謝物中的30%的氨基酸、54%的碳水化合物和76%的核苷（圖3）。
圖3 泥炭蘚和念珠藻消耗伴侶代謝物的分布展示
3. 空間代謝組學研究
作者利用基質輔助激光解吸/電離質譜成像(MALDI-MSI) 進一步研究了交叉喂養研究的結果。結果發現N. muscorum UTEX 1037和S. angustifolium在單獨生長時會產生少量的黃嘌呤核苷。然而，當彼此靠近生長時，N. muscorum UTEX 1037則增加了黃嘌呤核苷的產量，而S. angustifolium則沒有。交叉喂養實驗表明S. angustifolium消耗了N. muscorum UTEX 1037提供的黃嘌呤核苷，而N. muscorum UTEX 1037 沒有消耗S. angustifolium提供的黃嘌呤核苷。腺嘌呤也觀察到類似的結果。MALDI-MSI 成像發現無論N. muscorum UTEX 1037是否存在，S. angustifolium都會產生硫酸酯膽堿。交叉喂養結果顯示，由S. gustifolium提供的硫酸酯膽堿有98%被N. muscorum UTEX 1037 消耗（圖4）。
圖4 硫酸酯膽堿、黃嘌呤核苷和腺嘌呤的交叉喂養和 MALDI-MSI 結果
交叉喂養分析發現S. angustifolium產生海藻糖的趨勢明顯，其中N. muscorum UTEX 1037 消耗高達 85% 的外代謝物。MALDI-MSI結果發現單獨的S. angustifolium和生長在N. muscorum UTEX 1037附近的S. angustifolium中的海藻糖離子豐度相似。而當與S. angustifolium共培養時，可以觀察到N. muscorum UTEX 1037中海藻糖的豐度顯著增加（圖5）。
圖5 海藻糖交換的交叉喂養和 MALDI-MSI 結果
4. 宏轉錄組學研究
N. muscorum UTEX 1037轉錄組結果顯示除谷氨酰胺合成酶外，與N2固定有關的基因均呈下降趨勢。當補充S. angustifolium外代謝產物后，在光系統I和II中參與光合作用的N. muscorum UTEX 1037基因的表達普遍降低，盡管與S. angustifolium共培養時，光系統I基因的表達有增加的趨勢。富集分析確定了當宿主與N. muscorum UTEX 1037 共培養時，參與S. angustifolium宿主防御的基因下調。此外，當S. angustifolium喂食N. muscorum UTEX 1037外代謝物時，植物防御相關基因苯丙氨酸解氨酶被誘導表達，但當共培養時，基因的表達則沒有改變（圖6，圖7）。
圖6 與泥炭蘚或其產生的外代謝產物共培養的念珠藻基因表達譜研究
圖7 與念珠藻或其產生的外代謝產物共培養的泥炭蘚基因表達譜研究
小編小結
綜上所述，泥炭蘚-念珠菌共生是由 pH 值驅動的，共生關系僅在低 pH 值下發生。代謝交叉喂養研究以及質譜成像分析確定了海藻糖是泥炭蘚釋放的主要碳水化合物來源，而念珠藻與牛磺酸和磺乙酸等一起消耗了海藻糖。作為交換，念珠藻增加了嘌呤和氨基酸的分泌。宏轉錄組分析表明，當與念珠藻共生時，泥炭蘚的宿主防御能力被下調，而不僅僅是化學接觸的結果（圖8）。
