对抗有害藻华

2020-09-25 114藻类

纵观世界海洋,在全球营养循环、食物链和气候以及越来越多的人为工业过程中,各种各样的浮游微生物(如藻类)扮演着不可或缺的角色。然而,对于几乎所有的浮游微生物来说,除了一些标记序列外,对它们的遗传学知之甚少,而它们的形态、生物相互作用、新陈代谢和生态意义仍然是个谜。

藻类产生地球大气中一半的氧气,而某些形式的藻类被用于工业应用——比如生产高含量的欧米伽-3脂肪酸用于婴儿配方奶粉或用于生物燃料——因此,有许多原因可以更好地了解藻类。然而,藻类也有另一个方面,因为某些物种会造成有害的藻华(HABs),而这些一直是特拉华大学凯瑟琳·科因(Kathryn Coyne)研究的重点,对抗有害藻华。

推进微生物研究

为了帮助加深对海洋微生物生命基础细胞指令的理解,科恩与来自全球各地机构的100多名科学家联合出版了一份方法或协议汇编,作为《自然方法》杂志上的一篇参考文章,实验室实验将帮助科学家更好地了解海藻的遗传基础。

这项工作是由戈登和贝蒂摩尔基金会的海洋微生物学倡议资助的。为了对这次合作的贡献,科恩专门研究了一种能产生赤潮藻的异斑藻。

阿卡西沃的一个谜团是,虽然有些菌株产生可以杀死鱼的毒素,但其他菌株是无毒的。

“我们还不清楚它们会产生什么样的毒素。“我们只知道,当这种藻类在世界某些地区大量繁殖时,它们就会导致大量鱼类死亡,”环球开发商地球、海洋和环境学院(CEOE)海洋生物科学副教授、特拉华州海洋赠款项目负责人科恩说我们也不知道为什么有些菌株会产生毒素,或者是什么刺激了这种毒素的产生。”

科学家们经常使用基因组操纵来更好地了解微生物如何对环境做出反应,或者识别可能参与特定反应的基因,比如毒素的产生。然而,与其他作为基因组操纵模型的藻类不同,赤眼蜂没有细胞壁,而是只有一层保持细胞形状的薄膜。科因解释说,有细胞壁可能是基因组操作的障碍,而这类实验通常需要一些努力,最初只是为了去除细胞壁或使其更具多孔性。

由于赤眼蜂缺乏细胞壁,科因和她的研究小组提出,对这种物种进行基因组操纵可能更为直接,并能够证明使用两种基因操纵方法在其他模式物种上取得了成功。

科恩说:“我们创造了一种基因材料,可以将其引入异色素细胞,使其对特定抗生素产生抗药性。”如果我们成功了,我们就可以在这种抗生素中培养出它们,而含有抗药性基因的细胞也能存活下来。”

Coyne与她所在实验室的博士后研究员Deepak Nanjappa(也是论文作者)以及Pam Green和她的实验室成员、博士后研究员Vinay Nagarajan和特拉华生物技术研究所(DBI)格林实验室的研究助理Monica Accerbi一起工作。

他们一起尝试了一些方法,并优化了那些对异色素症成功的方法。其中一种方法被成功地复制了几次,表明他们能够产生一种转基因的异色素菌株。利用这种方法,科学家们现在可以探测赤潮异斑鱼的基因组,以更好地了解这种物种对环境线索的反应,或者是什么基因导致了它的毒性。

该项目的目的之一是使所有开发出来的方法都能免费获得,这样科学家就可以获取这些信息,并将其用于自己的研究。

科因说:“摩尔基金会资助了这个项目,希望在这项研究中开发的所有方法都能发表出来。”本项目没有任何专有技术,因此我们可以共享我们为异色素血症开发的任何协议。”

对抗有害藻华,固定化灭藻菌

此外,科恩在科学杂志《有害藻类》上发表了另一篇论文,详细介绍了她与CEOE博士生王艳飞(Yanfei Wang)的研究工作,研究了杀藻细菌Shewanella以及如何利用它来治疗HABs。

Shewanella是一种从特拉华内陆海湾分离出来的杀藻细菌,目前正在开发中,作为HABs的生物防治方法。它分泌水溶性化合物,抑制甲藻的生长,这种单细胞生物通常会产生毒素,并导致赤潮。其他对该物种的研究表明,它对其他藻类、鱼类或贝类的生长没有负面影响。由于它与当地水域隔离,因此可以认为是控制赤潮的“环境中性”解决方案。

为了在自然环境中使用舍瓦氏菌来控制赤潮,首先需要有一种方法,将这种细菌安全地部署在易发生赤潮的地区。

为了使这种赤潮控制解决方案更接近现实,科恩和王将舍瓦氏菌固定在几种多孔材料中。这项研究得到了特拉华海洋基金会的资助,确定了每种材料在一段时间内保持细菌的能力,以及固定化的谢瓦内拉形式是否能有效地控制甲藻的生长。

与其他赤潮控制方法不同,例如使用硫酸铜等有毒化学品,使用固定化杀藻细菌的优点是可以连续控制赤潮,而无需频繁重复使用。固定化细菌也可以在不再需要时被移除。

在这项研究中发现海藻酸钠是最成功的海藻酸钠和水凝胶中最成功的。

本研究还表明,固定在海藻酸珠中的Shewanella细胞在控制有害物种生长方面与游离细菌一样有效,同时对非有害的对照物种没有负面影响。

总的来说,这项研究表明,固定化Shewanella可以作为一种环境友好的方法来防止或减轻有害甲藻的大量繁殖,并为今后对抗有害藻华的研究提供了见解和方向。

引用

University of Delaware. "Battling harmful algae blooms." ScienceDaily. ScienceDaily, 23 July 2020. www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200723143638.htm.

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