ISME Journal (IF 11.217)：空間代謝組助力植物-藍藻共生關(guān)系研究
泥炭蘚與藍藻之間的相互作用在陸地碳氮循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用。了解交換的代謝物、相關(guān)的生理過程以及共生形成的環(huán)境條件，對于更好地理解這些相互作用背后的機制非常重要。2022年4月，美國橡樹嶺國家實驗室Alyssa A. Carrell等團隊在ISME Journal (IF 11.217)上發(fā)表了題為“Novel metabolic interactions and environmental conditions mediate the boreal peatmoss-cyanobacteria mutualism ”的文章。該文使用交叉喂養(yǎng)的方法，通過空間代謝組、非靶向代謝組和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)來表征泥炭蘚（Sphagnum）和念珠藻屬藍藻（Nostoc cyanobacteria）之間的共生關(guān)系，闡明了廣泛存在的植物-藍藻共生的環(huán)境、代謝和生理基礎(chǔ)，對預(yù)測泥炭地生態(tài)系統(tǒng)的碳和氮循環(huán)以及一般宿主-微生物相互作用的基礎(chǔ)具有重要意義。
研究材料
細胞、培養(yǎng)基
技術(shù)路線
步驟1：不同pH條件對泥炭蘚-念珠藻共生關(guān)系的影響；
步驟2：代謝交叉喂養(yǎng)研究；
步驟3：空間代謝組學(xué)研究;
步驟4：宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究。
研究結(jié)果
1. 不同pH條件對泥炭蘚-念珠藻共生關(guān)系的影響
作者經(jīng)過前期的研究從念珠藻屬多種菌株中選擇了具有共生能力的菌株N. muscorum UTEX 1037進行后續(xù)的研究，在 pH 3.5、5.5 和8.5下培養(yǎng)無菌S.angustifolium和N. muscorum UTEX 1037。通過比較S. angstifolium與N. muscorum UTEX 1037（念珠藻/泥炭蘚）共生的生長，相對于單獨的個體生長和個體生長的總和（念珠藻 + 泥炭蘚）來評估共生結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低pH（3.5）環(huán)境中，共生有明顯的益處：當物種在這些條件下一起生長時，重量的變化大于個體生長的總和。然而，在pH值為5.5或8.5時，沒有明顯觀察到生長益處（圖1）。
圖1 不同pH條件對泥炭蘚和念珠藻干重增長分析
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的生長益處表明了一種互惠共生關(guān)系，這促使作者對介導(dǎo)這種相互作用的代謝交換進行表征。因此評估了共生體的每個伙伴在新鮮液體培養(yǎng)基中生長時釋放的代謝物，以及交叉喂養(yǎng)給其他伙伴時，用過的培養(yǎng)基中釋放的外代謝物豐度的變化。結(jié)果顯示從單個伙伴用過的培養(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 實驗設(shè)計與方法
為了進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酸六類，N. muscorum UTEX 1037 消耗了S. angustifolium外代謝物每個化學(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）。
圖3 泥炭蘚和念珠藻消耗伴侶代謝物的分布展示
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在單獨生長時會產(chǎn)生少量的黃嘌呤核苷。然而，當彼此靠近生長時，N. muscorum UTEX 1037則增加了黃嘌呤核苷的產(chǎn)量，而S. angustifolium則沒有。交叉喂養(yǎng)實驗表明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)無論N. muscorum UTEX 1037是否存在，S. angustifolium都會產(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)生海藻糖的趨勢明顯，其中N. muscorum UTEX 1037 消耗高達 85% 的外代謝物。MALDI-MSI結(jié)果發(fā)現(xiàn)單獨的S. angustifolium和生長在N. muscorum UTEX 1037附近的S. angustifolium中的海藻糖離子豐度相似。而當與S. angustifolium共培養(yǎng)時，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。當補充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基因的表達普遍降低，盡管與S. angustifolium共培養(yǎng)時，光系統(tǒng)I基因的表達有增加的趨勢。富集分析確定了當宿主與N. muscorum UTEX 1037 共培養(yǎng)時，參與S. angustifolium宿主防御的基因下調(diào)。此外，當S. angustifolium喂食N. muscorum UTEX 1037外代謝物時，植物防御相關(guān)基因苯丙氨酸解氨酶被誘導(dǎo)表達，但當共培養(yǎng)時，基因的表達則沒有改變（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源，而念珠藻與�；撬岷突且宜岬纫黄鹣牧撕Ｔ逄�。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，當與念珠藻共生時，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）。
