Аэробные бактерии производят оксид азота посредством денитрификации и способствуют коллапсу популяции водорослей.

Журнал ISME, том 17, страницы 1167–1183 (2023 г.) Процитировать эту статью

3460 Доступов

1 Цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Микробные взаимодействия определяют морскую биогеохимию. Обычно считается, что эти взаимодействия основаны на обмене органическими молекулами. Здесь мы сообщаем о новом неорганическом пути микробной коммуникации, показывающем, что водорослево-бактериальные взаимодействия между бактериями Phaeobacter inhibens и водорослями Gephyrocapsa huxleyi опосредуются посредством обмена неорганического азота. В условиях, богатых кислородом, аэробные бактерии восстанавливают выделяемый водорослями нитрит до оксида азота (NO) посредством денитрификации — хорошо изученного анаэробного респираторного механизма. Бактериальный NO участвует в запуске каскада в водорослях, похожего на запрограммированную смерть клеток. Во время гибели водоросли дополнительно генерируют NO, тем самым распространяя сигнал в популяции водорослей. В конце концов, популяция водорослей сокращается, подобно внезапному прекращению цветения океанических водорослей. Наше исследование показывает, что обмен неорганическими видами азота в насыщенной кислородом среде является потенциально важным путем микробной коммуникации внутри и между королевствами.

Различные морские бактерии, обитающие в насыщенных кислородом поверхностных водах, несут гены денитрификации. Это удивительно, поскольку денитрификация — это микробный процесс, который позволяет микроорганизмам поддерживать клеточную биоэнергетику при ограничении концентрации кислорода [1]. Для проведения денитрификации специализированные микробы экспрессируют ферменты, которые отвечают за многоэтапный процесс восстановления форм азота, которые служат терминальными акцепторами электронов. Полный процесс денитрификации начинается с восстановления нитрата (NO3¯) до нитрита (NO2¯), затем до оксида азота (NO), закиси азота (N2O) и, наконец, до динитрога (N2) (рис. 1А). В океане микробная денитрификация широко происходит в зонах дефицита кислорода (ОДЗ) и океанских отложениях [2, 3], а все промежуточные продукты денитрификации, включая нитрит, NO и закись азота, накапливаются в морской среде [3,4,5]. ]. Сведения о промежуточном продукте NO скудны из-за его недолговечности [3]. Следовательно, его загадочное присутствие в водах океана могло привести к неизбежным последствиям.

Ассимиляционное восстановление нитрата до аммония во время ассимиляции биомассы водорослей приводит к образованию нитрита в качестве промежуточного продукта. Диссимиляционное восстановление нитрата до диазота во время бактериальной денитрификации также включает нитрит в качестве промежуточного продукта, который далее восстанавливается до NO. Основные виды азота, обсуждаемые в рукописи, заштрихованы серым цветом. Нитраты Б и нитриты (С) обнаружены в фильтратах культур аксеновых водорослей в указанные дни. D Ежедневный мониторинг нитритов в фильтратах культур аксеновых водорослей (светло-зеленый) и совместных культур (темно-зеленый). E, F Рост водорослей (столбцы) и рост бактерий (черная линия) в культурах аксеновых водорослей (светло-зеленые столбцы) и совместных культурах водорослей и бактерий (темно-зеленые столбцы). E. Культуры инициировали с инокулятом водорослей в концентрации 103 водорослей/мл. F. Культуры инициировали инокулятом водорослей в концентрации 105 клеток/мл. Черные стрелки указывают день пика внеклеточного нитрита, как показано на (D) и на рисунке S1D. Каждая точка данных на рисунке состоит как минимум из 3 биологических повторов, полосы ошибок обозначены ±SD. Статистическую значимость рассчитывали с использованием двухвыборочного t-критерия для сравнения количества клеток водорослей в аксенических культурах и в совместных культурах. E Количество клеток водорослей на 17-й день и (F) на 10-й день значительно отличалось между аксеническими и совместными культурами и привело к p < 0,01.

NO в океане может происходить из других источников, помимо денитрификации. Фактически, большинство живых организмов производят эту молекулу для передачи сигналов как при нормальной, так и при нарушенной физиологии [6,7,8]. NO часто связан с процессами запрограммированной гибели клеток (ПКС) и окислительным стрессом как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов [9,10,11,12]. Поскольку NO представляет собой небольшую, проницаемую через мембрану газовую молекулу, он легко проходит через соседние клетки [13]. Короткий период полураспада NO в насыщенной кислородом среде обеспечивает локализованный ответ внутри тканей [13]. Аналогичным образом NO в одноклеточных организмах может стимулировать ответ у близкого соседа [14,15,16]. Действительно, было высказано предположение, что NO диффундирует между клетками в плотной популяции микроводоросли Gephyrocapsa huxleyi (ранее Emiliania huxleyi [17]) [18].