search
ruРусский
banner
Дом / Новости / Кооперативные микробные взаимодействия приводят к пространственной сегрегации в пористой среде.
Новости
pageSearch
Последние новости

Кооперативные микробные взаимодействия приводят к пространственной сегрегации в пористой среде.

Jul 11, 2023Jul 11, 2023

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4226 (2023) Цитировать эту статью

4363 Доступа

17 Альтметрика

Подробности о метриках

Роль микробных взаимодействий и основные механизмы, формирующие сложные сообщества биопленок, плохо изучены. Здесь мы используем микрофлюидный чип для изображения пористой подповерхностной среды и показываем, что совместные микробные взаимодействия между свободноживущими и образующими биопленки бактериями вызывают активную пространственную сегрегацию, чтобы способствовать их соответствующему доминированию в изолированных микросредах обитания. Во время первоначальной колонизации свободноживущие и образующие биопленки микробы отделяются от смешанного планктонного инокулята и занимают окружающую жидкость и поверхность зерна. В отличие от пространственного исключения посредством конкуренции, активная пространственная сегрегация вызывается кооперативными взаимодействиями, которые улучшают приспособленность как биопленочных, так и планктонных популяций. Мы также показываем, что свободноживущие Arthrobacter вызывают поверхностную колонизацию, удаляя ингибитор биопленки, D-аминокислоты, и получают выгоду от общественного блага, выделяемого штаммами, образующими биопленку. В совокупности наши результаты показывают, как кооперативные микробные взаимодействия могут способствовать сосуществованию микробов в отдельных микросредах обитания и стимулировать преемственность сообществ подземных биопленок.

В земных и океанических недрах обитает более 80% микроорганизмов на Земле и, таким образом, они являются основной средой обитания микробов на нашей планете1,2. В отличие от водной среды (например, открытого океана), где микробы в основном живут свободно (планктонно), подповерхностная среда обеспечивает чрезвычайно большую площадь поверхности для прикрепления микробов. Прикрепленные к поверхности микробы поглощают питательные вещества из поровой воды и разрастаются в плотные многовидовые комплексы, называемые биопленками3,4. Непосредственная близость разнообразных видов в биопленках облегчает различные взаимодействия между ними, такие как чувство кворума и синергический метаболизм, которые определяют черты и функции сообщества5,6,7.

В последние десятилетия были проведены теоретические и экспериментальные исследования, чтобы проанализировать сложные взаимодействия, которые диктуют структуру сообщества подповерхностных биопленок. Обнаружено, что кооперативные микроорганизмы, такие как партнеры по перекрестному питанию, объединяются в биопленочные сообщества, обеспечивая взаимную выгоду8,9,10. Напротив, взаимно антагонистические микроорганизмы имеют тенденцию исключать друг друга из локальных ниш и пространственно сегрегировать7,11. Помимо прямых функциональных последствий, физическая структура подземной среды может определять экологическую стабильность и функциональную активность путем модуляции пространственного распределения кооперативных и конкурирующих генотипов. По сравнению с хорошо смешанной средой, пространственная сегрегация в структурированных условиях уравновешивает конкурентные и кооперативные взаимодействия и стабилизирует сообщество12. Например, физическое разделение в пористой среде позволяет сосуществовать медленно растущим видам с быстрорастущими конкурентами, поскольку быстрое образование биопленки блокирует поток жидкости и перенаправляет питательные вещества к конкурентам13,14. Один недавний эксперимент также продемонстрировал, что пространственная сегрегация консорциумов биопленок управляет перекрестным питанием метаболитов и ростом микробов посредством настройки точности передачи сигнала определения кворума15. Однако нынешнее понимание подземных биопленочных сообществ, возникающих в результате взаимодействия, в значительной степени основано на двухвидовых сообществах. Как микробные взаимодействия формируют разнообразные сообщества биопленок в пространственно структурированной среде, до сих пор плохо изучено.

Здесь мы исследовали процесс колонизации биопленок в пористой среде, где почвенные бактерии самоорганизуются в структурированные микробные сообщества. Используя микрофлюидику, секвенирование ампликона гена 16S рРНК и флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH), мы заметили, что во время раннего развития биопленки виды с дефицитом биопленки активно подготовили микромасштабную среду для микробов, образующих биопленку, для колонизации поверхностей. Далее мы провели экзометаболомику, транскриптомику, анализ парных взаимодействий и генетические манипуляции, чтобы раскрыть механизмы межвидовых взаимодействий. Мы обнаружили, что взаимодействие между видами с дефицитом биопленки и видами, образующими биопленку, стимулирует сукцессию микробного сообщества посредством активной пространственной сегрегации в подземной среде.

72 h) and the communities approached a steady state. ASV1 Pseudomonas and ASV2 Arthrobacter were the two most abundant Amplicon Sequence Variants (ASVs) across the entire incubation period, accounting for 76.4% of total reads (Fig. 2b). The relative abundance of these two ASVs increased concurrently in the early stage (<48 h) but varied after mature biofilm formation (Fig. 2b)./p> 1.96 interpreted as heterogenous selection. The taxonomic dissimilarity metric RC is applied for the pairwise comparisons with |βNRI| ≤ 1.96. RC values >0.95 or <−0.95 represent homogenizing dispersal or dispersal limitation, while |RC| ≤ 0.95 is interpreted as drift. The relative importance of individual processes is weighted by the relative abundance of each taxonomic groups and summed to estimate their relative importance in controlling community succession. The result reveals that the microbial community succession was driven by homogeneous selection, the relative importance of which increased from 39.5% to above 90.0% with biofilm development (Fig. 2c). At the genus level, Pseudomonas made the most prominent contribution to community succession, followed by Arthrobacter contributing more than 15% during the early stage (≤48 h) (Fig. 2d). These results demonstrate that after a temporary stochastic period (≤12 h), the microbial communities were driven by homogeneous abiotic and biotic environmental conditions and Pseudomonas and Arthrobacter were the key taxa shaping community structure./p> Ysum)./p> Ysum), strong negative (Yco < Ymin) or weak negative (Ysum ≥ Yco ≥ Ymin). b Key differentially expressed biofilm-formation related genes of ASV1 P. fluorescens in co-culture with ASV2 A. ramosus. Numbers in brackets represent the number of differentially expressed genes with the same functions. Source data are provided as a Source Data file. The interaction in ISEM conditioned by planktonic Arthrobacter (c) and biofilm-forming isolates (d). Based on the biofilm or planktonic growth in conditioned medium (Yc) and unconditioned medium (Yu), the interaction can be classified as positive (Yc ≥ Yu), weak negative (1 > Yc/Yu ≥ 0.5) or strong negative (Yc/Yu < 0.5). Source data for Fig. 3a, c are provided as a Source Data file. The measured OD600 for Fig. 3d was plotted in Supplementary Fig. 10a./p> 0.05), which suggested that Arthrobacter and biofilm-forming species didn’t exclude each other in co-culture./p>0.1% across total microbial communities in microfluidic chips) and amino acids. Only those with Spearman’s rank correlation coefficients (|r| ≥ 0.5, ***p ≤ 0.001, **p ≤ 0.01, *p ≤ 0.05) are shown. ACC, 1-Aminocyclopropane 1-carboxylic acid; Ect, Ectoine; 2-Akbt, 2-amino-3-oxobutanoic acid. c The accumulation of total amino acids in the supernatant (n = 3 chips). d The dynamics of DAA during biofilm development exhibit a V pattern (n = 3 chips). The shaded areas represent the standard deviation of three biological replicates. Source data are provided as a Source Data file./p>0.5 were considered as “released” and those with a coefficient less than −0.5 were considered as “consumed”62. The remaining metabolites were categorized as “others”./p> Ysum). The relationship was considered as negative if the co-culture biofilm was less than or equal to the sum of the monocultures (Ysum ≥ Yco). The co-culture interaction was strong negative when Yco was less than Ymin, while a weak negative relationship was determined when Ysum ≥ Yco ≥ Ymin. To assess the effect of extracellular metabolites in social interaction, the biofilm or planktonic growth in conditioned medium (Yc) was compared with that in unconditioned medium (Yu)25. A higher biofilm or planktonic growth in conditioned medium (Yc ≥ Yu) indicated a positive interaction. The interaction was classified as weak negative when 1 > Yc/Yu ≥ 0.5. A substantial reduction in biofilm or planktonic growth (Yc/Yu < 0.5) was an indication of strong negative./p>

Предыдущий: 37 решений для хранения данных, настолько гениальных, что вы сразу же добавите их в корзину Следующий: Дома Beach & Bay Cottage Tour на 2023 год
Отправить запрос
Отправлять