ISME Journal (IF 11.217)：空間代謝組助力植物-藍(lán)藻共生關(guān)系研究

圖1 不同pH條件對(duì)泥炭蘚和念珠藻干重增長(zhǎng)分析

2. 代謝交叉喂養(yǎng)研究

在低pH條件下觀察到的S. angustifolium和N. muscorum UTEX 1037的生長(zhǎng)益處表明了一種互惠共生關(guān)系，這促使作者對(duì)介導(dǎo)這種相互作用的代謝交換進(jìn)行表征。因此評(píng)估了共生體的每個(gè)伙伴在新鮮液體培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)釋放的代謝物，以及交叉喂養(yǎng)給其他伙伴時(shí)，用過(guò)的培養(yǎng)基中釋放的外代謝物豐度的變化。結(jié)果顯示從單個(gè)伙伴用過(guò)的培養(yǎng)基中鑒定出225種外代謝產(chǎn)物，在這些產(chǎn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為了進(jìn)一步表征代謝物交換，將喂養(yǎng)前后豐度發(fā)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(jié)合物、脂類、核苷酸和核苷以及有機(jī)酸六類，N. muscorum UTEX 1037 消耗了S. angustifolium外代謝物每個(gè)化學(xué)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）。

3.  空間代謝組學(xué)研究

作者利用基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜成像(MALDI-MSI) 進(jìn)一步研究了交叉喂養(yǎng)研究的結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)N. muscorum UTEX 1037和S. angustifolium在單獨(dú)生長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量的黃嘌呤核苷。然而，當(dāng)彼此靠近生長(zhǎng)時(shí)，N. muscorum UTEX 1037則增加了黃嘌呤核苷的產(chǎn)量，而S. angustifolium則沒(méi)有。交叉喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)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(méi)有消耗S. angustifolium提供的黃嘌呤核苷。腺嘌呤也觀察到類似的結(jié)果。MALDI-MSI 成像發(fā)現(xiàn)無(wú)論N. muscorum UTEX 1037是否存在，S. angustifolium都會(huì)產(chǎn)生硫酸酯膽堿。交叉喂養(yǎng)結(jié)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(yǎng)和 MALDI-MSI 結(jié)果

交叉喂養(yǎng)分析發(fā)現(xiàn)S. angustifolium產(chǎn)生海藻糖的趨勢(shì)明顯，其中N. muscorum UTEX 1037 消耗高達(dá) 85% 的外代謝物。MALDI-MSI結(jié)果發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的S. angustifolium和生長(zhǎng)在N. muscorum UTEX 1037附近的S. angustifolium中的海藻糖離子豐度相似。而當(dāng)與S. angustifolium共培養(yǎng)時(shí)，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(yǎng)和 MALDI-MSI 結(jié)果

4.  宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究

N. muscorum UTEX 1037轉(zhuǎn)錄組結(jié)果顯示除谷氨酰胺合成酶外，與N2固定有關(guān)的基因均呈下降趨勢(shì)。當(dāng)補(bǔ)充S. angustifolium外代謝產(chǎn)物后，在光系統(tǒng)I和II中參與光合作用的N. muscorum UTEX 1037基因的表達(dá)普遍降低，盡管與S. angustifolium共培養(yǎng)時(shí)，光系統(tǒng)I基因的表達(dá)有增加的趨勢(shì)。富集分析確定了當(dāng)宿主與N. muscorum UTEX 1037 共培養(yǎng)時(shí)，參與S. angustifolium宿主防御的基因下調(diào)。此外，當(dāng)S. angustifolium喂食N. muscorum UTEX 1037外代謝物時(shí)，植物防御相關(guān)基因苯丙氨酸解氨酶被誘導(dǎo)表達(dá)，但當(dāng)共培養(yǎng)時(shí)，基因的表達(dá)則沒(méi)有改變（圖6，圖7）。

圖6 與泥炭蘚或其產(chǎn)生的外代謝產(chǎn)物共培養(yǎng)的念珠藻基因表達(dá)譜研究


圖7 與念珠藻或其產(chǎn)生的外代謝產(chǎn)物共培養(yǎng)的泥炭蘚基因表達(dá)譜研究
 

小編小結(jié)

綜上所述，泥炭蘚-念珠菌共生是由 pH 值驅(qū)動(dòng)的，共生關(guān)系僅在低 pH 值下發(fā)生。代謝交叉喂養(yǎng)研究以及質(zhì)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(lái)源，而念珠藻與�；撬岷突且宜岬纫黄鹣�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(zhuǎn)錄組分析表明，當(dāng)與念珠藻共生時(shí)，泥炭蘚的宿主防御能力被下調(diào)，而不僅僅是化學(xué)接觸的結(jié)果（圖8）。