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型菌从南极海水中分离出来的,不能以DMSP作为唯一碳源生长。化学防御战略在海洋环境中广泛存在。本文报道了以DMSP为前体化合物的海洋细菌防御原生动物捕食的化学防御策略。二甲基磺酰丙酸(DMSP)的裂解对产生DMSP的真核藻类的食草动物具有抑制作用。然而目前还不清楚海洋细菌中是否也有类似的防御机制。研究人员证明了海洋细菌Puniceibacterium antarctic SM1211,它不使用DMSP作为碳源,有一个膜相关的DMSP裂解酶DddL。在高浓度DMSP下,DddL通过DMSP降解引起细胞周围丙烯酸酯的积累,从而防止海洋纤毛虫尿虫的捕食。丙烯酸酯的存在可以改变海藻对群落中其他细菌的捕食偏好,从而影响群落结构。


Bioscreen全自动生长曲线分析仪的应用


P.antarctica SM1211和P.arctica从南极表层海水中分离得到。M.antarctica 4-2和Polaribacter sp.K15菌则是分别从南极潮间带沉积物和腐烂海藻中分离得到的。所有菌株均于25℃培养于2216E培养基中。大肠杆菌菌株在37°C Luria-Bertani(LB)培养基中培养。使用Bioscreen C自动生长曲线分析仪自动监测细菌生长。


实验结果


本研究展示了一种固有的防御策略,该策略是由含有DddL的细菌通过将高浓度的DMSP转化为丙烯酸酯来实现的。此保护策略可能会dddL含DMSP的细菌不利用DMSP作为碳源来获得生存优势,但通过将捕食压力转移到非DMSP来影响细菌群落结构。在长期共培养实验(90 h)中,当菌株SM1211或补充突变菌株ZH171在500μM DMSP存在时,其最大生长率和净固定相种群丰度均较无DMSP存在时下降约3倍。这种抑制作用在海参种群的每个生长阶段都被观察到。在低至5μM的DMSP中也能观察到这种防御机制,由于溶解或掠食作用,DMSP浓度可出现在藻类细胞表面。相比之下,在500μM DMSP存在时,对ΔdddL和北极P.arctica的捕食率和种群丰度略有上升,说明DMSP不是直接防御化合物,而是趋化剂。

图1、DMSP存在和不存在时,海洋分歧杆菌对南极野生型P.antarctica SM1211和ΔdddL突变体的捕食率和比例。a)在500μM DMSP存在或不存在的情况下,海鱼以菌株SM1211、突变体ΔdddL、补充突变体ZH171和北极海鱼为食形成了具有代表性的食物液泡(白色液泡)。b)在有或无500μM DMSP时,海洋紫藻对菌株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)和北极紫藻(n=152、136,P=0.109)的捕食率和捕食率。c)在500μM DMSP存在或不存在的情况下,海参参摄食菌株SM1211、ΔdddL、ZH171和P.arctica的生长曲线。红色虚线表示含有DMSP的介质中丙烯酸酯的浓度。

图2、SM1211菌株和各种突变菌株的特性。a)SM1211菌株以1mm琥珀酸盐、1mm DMSP或1mm丙烯酸酯为唯一碳源培养的生长。对照组为不添加碳源。e)菌株SM1211在2216E培养基中培养时对不同浓度丙烯酸酯(1-10 mM)的耐受性。g)携带载体pBBR1MCS-4的菌株SM1211、ΔdddL、ZH171(补充突变体)和ZH172(ΔdddL)在25℃2216E培养基中培养。

图3、海洋分歧杆菌对不同猎物的选择性捕食。a)在500μM DMSP存在或不存在的情况下海洋分析杆菌与共培养菌株SM1211和ΔdddL捕食食物液泡的激光共聚焦显微照片。菌株SM1211和ΔdddL分别用sfGFP和mCherry标记,分别用DAPI对海藻细胞核进行染色。比例尺=20μm。b)用菌落形成单位(CFU)测定了丙烯酸酯对ΔdddL菌活力的影响。结合含有pBBR1MCS-2的菌株ZH176(菌株SM1211)携带sfGFP的编码序列)和携带mCherry编码序列的ZH177(ΔdddL携带pBBR1MCS-5)也被镀上2216E固体培养基中含有庆大霉素,以便在混合过程中只列举ZH177。c)北极菌对不同浓度的丙烯酸酯(1-10毫米)在2216E培养基中培养。d-f,北极哈菌属(d),海杆菌属antarctica 4-2(e)和极地杆菌属sp.K15(f)用1 mM琥珀酸培养,1mm DMSP或1mm丙烯酸酯作为唯一碳源。对照组为不添加碳源。

图4、以1mm琥珀酸盐、1mm DMSP或1mm丙烯酸酯为单一碳源培养的鲁杰氏菌属lacuscaerulensis ItI-1157。对照组,不添加碳源。数据以平均值+/-标准差表示。误差条表示三次实验的标准差。

图5、积累的丙烯酸盐保护南极细棘杆菌SM1211免受原生动物的捕食。a)丙烯酸酯浓度的时空变化。半径为1μm的SM1211电池可生成丙烯酸酯,且生成丙烯酸酯所需时间较长。b)菌株SM1211采用DMSP为前体化合物的化学防御策略。DMSP主要由浮游植物产生,可通过掠食或病毒裂解释放到环境中。


总结


本文报道了以DMSP为前体化合物的海洋细菌防御原生动物捕食的化学防御策略。二甲基磺酰丙酸(DMSP)的裂解对产生DMSP的真核藻类的食草动物具有抑制作用。然而目前还不清楚海洋细菌中是否也有类似的防御机制。研究人员证明了海洋细菌Puniceibacterium antarctic SM1211,它不使用DMSP作为碳源,有一个膜相关的DMSP裂解酶DddL。在高浓度DMSP下,DddL通过DMSP降解引起细胞周围丙烯酸酯的积累,从而防止海洋纤毛虫尿虫的捕食。丙烯酸酯的存在可以改变海藻对群落中其他细菌的捕食偏好,从而影响群落结构。



海洋细菌OD值测定及OD-t生长曲线绘制

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