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客户文章 | 厦门大学运用靶标代谢组学+蛋白质组学研究藻华时条件异养菌参与溶解性有机物转化的机制-百趣生物

分类:公司动态   发布时间 2021-08-10   阅读: 301

厦门大学在《Microbiome》期刊上发表关于藻华的研究成果,该研究使用靶标代谢组学蛋白质组学和基因组学的组合方法来研究细菌多样性、基因组特征和代谢响应,以此评估在春季沿海藻华中DOM的来源和可利用性。


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

发表期刊Microbiome

发表时间:2021年

影响因子:14.650

合作客户:厦门大学

百趣生物提供服务:定制靶标代谢组学

01 研究背景


藻华引发的浮游植物的大量繁殖在沿海地区经常发生,这会导致有机物的产量增加,从而决定机会主义异养菌的生长。然而,目前尚不清楚这些机会主义异养菌如何在藻华发生时参与溶解性有机物(DOM)的转化以及对生物地球化学过程的影响。



02 研究思路及结果


分别在藻华稳定期的早期(I阶段)和中期(II阶段)的中心(C)和外围(P)位置取样。使用基因组、蛋白质组和代谢组的组合方法来研究细菌多样性、基因组特征和代谢响应,以此评估在春季沿海藻华中DOM的来源和可利用性。


1. 非靶向代谢组学分析原位DOM的表征

在藻华中共鉴定到434种化合物,包括包括氨基酸及其衍生物(包括二肽)、脂类、核苷酸和核苷、碳水化合物及其衍生物、吲哚、有机酸和苯类化合物。与站位P相比,检测化合物中约92%在站位C的丰度较高,约85%在II阶段的丰度高于I阶段。代谢物丰度的增加与藻华过程中的DOM的增加呈正相关(相关性R=0.77,p=0.002)。氨基酸、肽类、核苷酸和核苷是藻华的重要组成部分,这些物质可能在塑造微生物群落结构和促进机会主义异养菌蓬勃发展方面发挥重要作用。

图1 藻华中溶解有机物成分的表征


2. 藻华期间细菌群落组成的演替

利用16S rRNA基因序列测定细菌类群在藻华期间的动态。阶段I和阶段II在属水平上的微生物群落组成存在显著差异(q < 0.05, ANOSIMS)。第一阶段和第二阶段细菌群落的主成分分析显示,相对丰度下降和增加的属之间存在明显的分离,这表明在藻华期间微生物群落组成发生了变化(图2b)。在II期,不考虑与粒子相关的和自由活动的大小分数,PolaribacterLentibacterPlanktomarinaLitoricola的细菌相对丰度均显著增加(q < 0.05)。这表明它们可以对新鲜好利用的有机质迅速响应,并在竞争中胜过其他最初更丰富的类群。在物种水平上,Polaribacter marinivivusLentibacter algarumPlanktomarina temperataLitoricola marina分别占各自属数的6-74%、68-82%、46-80%和53-67%(图2a)为藻华优势种。

图2 16S rRNA基因序列测定的藻华细菌类群动态


3. 藻华期间的可培养细菌

总共216株菌株分为Alphaproteobacteria(81株)、Gammaproteobacteria(74株)、Flavobacteriia(15株)、Bacilli(40株)和Actinobacteria(5株)。根据藻华过程中微生物群落的丰度,以优势菌株Polaribacter marinivivus LXJ4 、Lentibacter algarum HYO3 和Litoricola marina HY2016为代表,进一步分析藻华的代谢机制。其中Lentibacter(5株)、Polaribacter(2株)和Litoricola(1株)属于优势类群,未分离到浮游植物。这一结果与它们在藻华时期的微生物群落中的丰度相反,使我们推测富营养的培养基可能抑制了优势菌。结果表明,尽管在藻华期间DOM的增加支持了细菌的生长,但可能仍然存在一些营养限制,只有少数丰度显著的群体迅速扩大。


4. 比较3个代表性菌株与参考菌株的基因组性状

在藻华细菌群落中,SAR11分支的基因组高度精简,Planktomarina temperata也显示了基因组精简的特征,如遗传物质的减少和优化。P. marinivivus、L. algarum、L. marina也表现出基因组精简的特征(图3)。

与其他非基因组精简的菌株相比,本研究中的分离株编码了大量与DON转运相关的基因,尤其是氨基酸、肽和核苷酸。将属于相应级别的参考菌株对各种含氮底物的转运潜力进行比较,结果表明,与D. donghaensis MED134相比,P. marinivivus具有更强的脯氨酸、苏氨酸和维生素B12转运能力;与N.caesariensis MED92相比,L. marina有更多的精氨酸、半胱氨酸、赖氨酸、苏氨酸、碱基、核苷、嘌呤和维生素B12的转运体。基因组结果显示,优势分离株的基因数量减少了,但功能并没有缺失,且DON尤其是氨基酸、肽和核苷酸的转运和利用能力得以保留。

图3 三个代表性分离株与参考菌株的基因组特征

5. 蛋白质组学分析分离株对藻华DOM的响应

在生长过程中共鉴定出1735个、1722个和1067个蛋白,分别占P. marinivivusL. algarumL. marina基因组的71.7%、52.8%和46.2%。藻华DOM培养基中的细菌蛋白表达比例几乎达到了富营养的海洋肉汤培养基59-80%的水平。蛋白质组学分析显示,预测基因在每个COG功能组中均有50%以上的表达,重点分析了转运蛋白、肽酶、GH、多糖利用位点(PUL)等核心蛋白在三个菌株中的表达情况。

图4 三个分离株生长过程中的蛋白质组学反应

6. 分离株对DOM成分的吸收

代谢物摄取量是指,在稳定期结束时,与未接种的对照培养基相比,从培养基中消耗的代谢物的百分比。培养基中总共85种化合物显著减少(p < 0.05,T检验),每种代谢物的摄取至少为20%,其中包括氨基酸及其衍生物(包括二肽)、脂质、核苷酸和核苷以及吲哚衍生物。耗尽曲线显示了三个分离株之间底物利用的巨大差异。


图5 三个分离株在生长过程中对藻华中DOM特定代谢物的吸收


03  研究结论


这项研究结合野外和实验室实验来评估甲藻藻华来源的有机物对机会主义异养菌的生物可利用性。这些机会主义异养菌的代表(P. marinivivusL. algarum and l . marina)表现出基因组精简的特征,在含氮DOM代谢物的吸收和代谢中表现出了高的蛋白表达,揭示了这些机会主义异养菌利用藻华有机物的适应性策略,从而促使它们在富DOM但铵盐耗尽的藻华稳定期占据优势。