在微生物界，捕食和防御是重要的捕食者-被捕食者相互作用。P.antarcticum SM1211型菌從南極海水中分離出來(lái)的，不能以DMSP作為唯一碳源生長(zhǎng)。化學(xué)防御戰(zhàn)略在海洋環(huán)境中廣泛存在。本文報(bào)道了以DMSP為前體化合物的海洋細(xì)菌防御原生動(dòng)物捕食的化學(xué)防御策略。二甲基磺酰丙酸(DMSP)的裂解對(duì)產(chǎn)生DMSP的真核藻類的食草動(dòng)物具有抑制作用。然而目前還不清楚海洋細(xì)菌中是否也有類似的防御機(jī)制。研究人員證明了海洋細(xì)菌Puniceibacterium antarctic SM1211，它不使用DMSP作為碳源，有一個(gè)膜相關(guān)的DMSP裂解酶DddL。在高濃度DMSP下，DddL通過(guò)DMSP降解引起細(xì)胞周圍丙烯酸酯的積累，從而防止海洋纖毛蟲尿蟲的捕食。丙烯酸酯的存在可以改變海藻對(duì)群落中其他細(xì)菌的捕食偏好，從而影響群落結(jié)構(gòu)。
Bioscreen全自動(dòng)生長(zhǎng)曲線分析儀的應(yīng)用
P.antarctica SM1211和P.arctica從南極表層海水中分離得到。M.antarctica 4-2和Polaribacter sp.K15菌則是分別從南極潮間帶沉積物和腐爛海藻中分離得到的。所有菌株均于25℃培養(yǎng)于2216E培養(yǎng)基中。大腸桿菌菌株在37°C Luria-Bertani(LB)培養(yǎng)基中培養(yǎng)。使用Bioscreen C自動(dòng)生長(zhǎng)曲線分析儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)細(xì)菌生長(zhǎng)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本研究展示了一種固有的防御策略，該策略是由含有DddL的細(xì)菌通過(guò)將高濃度的DMSP轉(zhuǎn)化為丙烯酸酯來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此保護(hù)策略可能會(huì)dddL含DMSP的細(xì)菌不利用DMSP作為碳源來(lái)獲得生存優(yōu)勢(shì)，但通過(guò)將捕食壓力轉(zhuǎn)移到非DMSP來(lái)影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。在長(zhǎng)期共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)(90 h)中，當(dāng)菌株SM1211或補(bǔ)充突變菌株ZH171在500μM DMSP存在時(shí)，其最大生長(zhǎng)率和凈固定相種群豐度均較無(wú)DMSP存在時(shí)下降約3倍。這種抑制作用在海參種群的每個(gè)生長(zhǎng)階段都被觀察到。在低至5μM的DMSP中也能觀察到這種防御機(jī)制，由于溶解或掠食作用，DMSP濃度可出現(xiàn)在藻類細(xì)胞表面。相比之下，在500μM DMSP存在時(shí)，對(duì)ΔdddL和北極P.arctica的捕食率和種群豐度略有上升，說(shuō)明DMSP不是直接防御化合物，而是趨化劑。
圖1、DMSP存在和不存在時(shí)，海洋分歧桿菌對(duì)南極野生型P.antarctica SM1211和ΔdddL突變體的捕食率和比例。a）在500μM DMSP存在或不存在的情況下，海魚以菌株SM1211、突變體ΔdddL、補(bǔ)充突變體ZH171和北極海魚為食形成了具有代表性的食物液泡(白色液泡)。b)在有或無(wú)500μM DMSP時(shí)，海洋紫藻對(duì)菌株SM1211(n=197、151,P=1.18×10?11)、ΔdddL(n=135、186,P=0.081)、ZH171(n=268、193,P=5.61×10?23)和北極紫藻(n=152、136,P=0.109)的捕食率和捕食率。c)在500μM DMSP存在或不存在的情況下，海參參攝食菌株SM1211、ΔdddL、ZH171和P.arctica的生長(zhǎng)曲線。紅色虛線表示含有DMSP的介質(zhì)中丙烯酸酯的濃度。
圖2、SM1211菌株和各種突變菌株的特性。a)SM1211菌株以1mm琥珀酸鹽、1mm DMSP或1mm丙烯酸酯為唯一碳源培養(yǎng)的生長(zhǎng)。對(duì)照組為不添加碳源。e)菌株SM1211在2216E培養(yǎng)基中培養(yǎng)時(shí)對(duì)不同濃度丙烯酸酯(1-10 mM)的耐受性。g)攜帶載體pBBR1MCS-4的菌株SM1211、ΔdddL、ZH171(補(bǔ)充突變體)和ZH172(ΔdddL)在25℃2216E培養(yǎng)基中培養(yǎng)。
圖3、海洋分歧桿菌對(duì)不同獵物的選擇性捕食。a)在500μM DMSP存在或不存在的情況下海洋分析桿菌與共培養(yǎng)菌株SM1211和ΔdddL捕食食物液泡的激光共聚焦顯微照片。菌株SM1211和ΔdddL分別用sfGFP和mCherry標(biāo)記，分別用DAPI對(duì)海藻細(xì)胞核進(jìn)行染色。比例尺=20μm。b）用菌落形成單位(CFU)測(cè)定了丙烯酸酯對(duì)ΔdddL菌活力的影響。結(jié)合含有pBBR1MCS-2的菌株ZH176(菌株SM1211)攜帶sfGFP的編碼序列)和攜帶mCherry編碼序列的ZH177(ΔdddL攜帶pBBR1MCS-5)也被鍍上2216E固體培養(yǎng)基中含有慶大霉素，以便在混合過(guò)程中只列舉ZH177。c）北極菌對(duì)不同濃度的丙烯酸酯(1-10毫米)在2216E培養(yǎng)基中培養(yǎng)。d-f,北極哈菌屬(d)，海桿菌屬antarctica 4-2(e)和極地桿菌屬sp.K15(f)用1 mM琥珀酸培養(yǎng)，1mm DMSP或1mm丙烯酸酯作為唯一碳源。對(duì)照組為不添加碳源。
圖4、以1mm琥珀酸鹽、1mm DMSP或1mm丙烯酸酯為單一碳源培養(yǎng)的魯杰氏菌屬lacuscaerulensis ItI-1157。對(duì)照組，不添加碳源。數(shù)據(jù)以平均值+/-標(biāo)準(zhǔn)差表示。誤差條表示三次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差。
圖5、積累的丙烯酸鹽保護(hù)南極細(xì)棘桿菌SM1211免受原生動(dòng)物的捕食。a)丙烯酸酯濃度的時(shí)空變化。半徑為1μm的SM1211電池可生成丙烯酸酯，且生成丙烯酸酯所需時(shí)間較長(zhǎng)。b)菌株SM1211采用DMSP為前體化合物的化學(xué)防御策略。DMSP主要由浮游植物產(chǎn)生，可通過(guò)掠食或病毒裂解釋放到環(huán)境中。
總結(jié)
本文報(bào)道了以DMSP為前體化合物的海洋細(xì)菌防御原生動(dòng)物捕食的化學(xué)防御策略。二甲基磺酰丙酸(DMSP)的裂解對(duì)產(chǎn)生DMSP的真核藻類的食草動(dòng)物具有抑制作用。然而目前還不清楚海洋細(xì)菌中是否也有類似的防御機(jī)制。研究人員證明了海洋細(xì)菌Puniceibacterium antarctic SM1211，它不使用DMSP作為碳源，有一個(gè)膜相關(guān)的DMSP裂解酶DddL。在高濃度DMSP下，DddL通過(guò)DMSP降解引起細(xì)胞周圍丙烯酸酯的積累，從而防止海洋纖毛蟲尿蟲的捕食。丙烯酸酯的存在可以改變海藻對(duì)群落中其他細(xì)菌的捕食偏好，從而影響群落結(jié)構(gòu)。
海洋細(xì)菌OD值測(cè)定及OD-t生長(zhǎng)曲線繪制
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