ISME Journal (IF 11.217) | 空间代谢组助力植物-蓝藻共生关系研究

2022-07-06 15:55:37, APT-MKT 上海中科新生命生物科技有限公司

泥炭藓与蓝藻之间的相互作用在陆地碳氮循环过程中发挥着重要作用。了解交换的代谢物、相关的生理过程以及共生形成的环境条件，对于更好地理解这些相互作用背后的机制非常重要。2022年4月，美国橡树岭国家实验室Alyssa A. Carrell等团队在ISME Journal (IF 11.217)上发表了题为“Novel metabolic interactions and environmental conditions mediate the boreal peatmoss-cyanobacteria mutualism ”的文章。该文使用交叉喂养的方法，通过空间代谢组、非靶向代谢组和宏转录组学来表征泥炭藓（Sphagnum）和念珠藻属蓝藻（Nostoc cyanobacteria）之间的共生关系，阐明了广泛存在的植物-蓝藻共生的环境、代谢和生理基础，对预测泥炭地生态系统的碳和氮循环以及一般宿主-微生物相互作用的基础具有重要意义。

研究材料

细胞、培养基

技术路线

步骤1：不同pH条件对泥炭藓-念珠藻共生关系的影响；

步骤2：代谢交叉喂养研究；

步骤3：空间代谢组学研究;

步骤4：宏转录组学研究。

研究结果

1. 不同pH条件对泥炭藓-念珠藻共生关系的影响

作者经过前期的研究从念珠藻属多种菌株中选择了具有共生能力的菌株N. muscorum UTEX 1037进行后续的研究，在 pH 3.5、5.5 和8.5下培养无菌S.angustifolium和N. muscorum UTEX 1037。通过比较S. angustifolium与N. muscorum UTEX 1037（念珠藻/泥炭藓）共生的生长，相对于单独的个体生长和个体生长的总和（念珠藻 + 泥炭藓）来评估共生结果。结果发现在低pH（3.5）环境中，共生有明显的益处：当物种在这些条件下一起生长时，重量的变化大于个体生长的总和。然而，在pH值为5.5或8.5时，没有明显观察到生长益处（图1）。

图1 泥炭藓和念珠藻在不同pH条件下的干重增长分析

2. 代谢交叉喂养研究

在低pH条件下观察到的S. angustifolium和N. muscorum UTEX 1037的生长益处表明了一种互惠共生关系，这促使作者对介导这种相互作用的代谢交换进行表征。因此评估了共生体的每个伙伴在新鲜液体培养基中生长时释放的代谢物，以及交叉喂养给其他伙伴时，用过的培养基中释放的外代谢物丰度的变化。结果显示从单个伙伴用过的培养基中鉴定出225种外代谢产物，在这些产物中，N. muscorum UTEX 1037消耗了S. angustifolium外代谢物的 53%，S. angustifolium消耗了N. muscorum UTEX 1037外代谢物的28%（图2）。

图2 实验设计与方法

为了进一步表征代谢物交换，将喂养前后丰度发生显著（p < 0.05）变化的外代谢物分为氨基酸、碳水化合物、脂肪酸及其结合物、脂类、核苷酸和核苷以及有机酸六类，N. muscorum UTEX 1037 消耗了S. angustifolium外代谢物每个化学类别中较大的百分比，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外代谢物中的30%的氨基酸、54%的碳水化合物和76%的核苷（图3）。

图3 泥炭藓和念珠藻消耗伴侣代谢物的分布展示

3. 空间代谢组学研究

作者利用基质辅助激光解吸/电离质谱成像(MALDI-MSI) 进一步研究了交叉喂养研究的结果。结果发现N. muscorum UTEX 1037和S. angustifolium在单独生长时会产生少量的黄嘌呤核苷。然而，当彼此靠近生长时，N. muscorum UTEX 1037则增加了黄嘌呤核苷的产量，而S. angustifolium则没有。交叉喂养实验表明S. angustifolium消耗了N. muscorum UTEX 1037提供的黄嘌呤核苷，而N. muscorum UTEX 1037 没有消耗S. angustifolium提供的黄嘌呤核苷。腺嘌呤也观察到类似的结果。MALDI-MSI 成像发现无论N. muscorum UTEX 1037是否存在，S. angustifolium都会产生硫酸酯胆碱。交叉喂养结果显示，由S. gustifolium提供的硫酸酯胆碱有98%被N. muscorum UTEX 1037 消耗（图4）。

图4 硫酸酯胆碱、黄嘌呤核苷和腺嘌呤的交叉喂养和 MALDI-MSI 结果

交叉喂养分析发现S. angustifolium产生海藻糖的趋势明显，其中N. muscorum UTEX 1037 消耗高达 85% 的外代谢物。MALDI-MSI结果发现单独的S. angustifolium和生长在N. muscorum UTEX 1037附近的S. angustifolium中的海藻糖离子丰度相似。而当与S. angustifolium共培养时，可以观察到N. muscorum UTEX 1037中海藻糖的丰度显著增加（图5）。

图5 海藻糖交换的交叉喂养和 MALDI-MSI 结果

4. 宏转录组学研究

N. muscorum UTEX 1037转录组结果显示除谷氨酰胺合成酶外，与N2固定有关的基因均呈下降趋势。当补充S. angustifolium外代谢产物后，在光系统I和II中参与光合作用的N. muscorum UTEX 1037基因的表达普遍降低，尽管与S. angustifolium共培养时，光系统I基因的表达有增加的趋势。富集分析确定了当宿主与N. muscorum UTEX 1037 共培养时，参与S. angustifolium宿主防御的基因下调。此外，当S. angustifolium喂食N. muscorum UTEX 1037外代谢物时，植物防御相关基因苯丙氨酸解氨酶被诱导表达，但当共培养时，基因的表达则没有改变（图6，图7）。

图6 与泥炭藓或其产生的外代谢产物共培养的念珠藻基因表达谱研究

图7 与念珠藻或其产生的外代谢产物共培养的泥炭藓基因表达谱研究

小编小结

综上所述，泥炭藓-念珠藻共生是由 pH 值驱动的，共生关系仅在低 pH 值下发生。代谢交叉喂养研究以及质谱成像分析确定了海藻糖是泥炭藓释放的主要碳水化合物来源，而念珠藻与牛磺酸和磺乙酸等一起消耗了海藻糖。作为交换，念珠藻增加了嘌呤和氨基酸的分泌。宏转录组分析表明，当与念珠藻共生时，泥炭藓的宿主防御能力被下调，而不仅仅是化学接触的结果（图8）。