微生物群落的小多样性清除藻类繁殖

2019-10-31 377藻类

藻类经常大量繁殖,这使得湖泊和海洋的卫星照片非常漂亮,令人眼花缭乱。他们偶尔也会因为给鱼、人和其他动物下毒而制造新闻。较少被讨论的是它们在全球碳循环中扮演的巨大角色。最近的一项研究揭示了浮游植物繁殖期碳流动的惊人事实。令人意想不到的是,微生物群落的小多样性清除藻类繁殖,很少有带有一组受限制的基因的细菌支对藻糖的降解起主要作用。

藻类从大气中吸收二氧化碳(CO2),将碳转化为生物质,同时将氧气释放回大气。在浮游植物繁殖期快速的藻类生长导致大量的二氧化碳转化为藻类生物量。但是接下来呢?

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“一旦藻类死亡,碳就会被消耗其生物量的微生物再矿化。因此,它以二氧化碳的形式返回大气。或者,如果死去的藻类沉入海底,有机物就会埋藏在沉积物中,可能会埋藏很长一段时间,”来自不来梅马克斯普朗克海洋微生物研究所的第一作者Karen Kruger解释说。“藻碳再矿化背后的过程仍未被完全了解。”

因此,Kruger和她的同事们在北海南部的Heligoland岛研究了春季藻类繁殖期间的微生物。他们专门研究了细菌对多糖的利用,多糖是构成藻类生物量的重要组成部分。Kruger与来自马克斯·普朗克研究所、格赖夫斯瓦尔德大学和加州DOE联合基因组研究所的同事一起,对细菌门拟杆菌进行了一项有针对性的宏基因组分析,因为这些细菌已知消耗大量多糖。科学家们详细研究了一种被称为“多糖利用位点”(PULs)的基因簇,发现这种基因簇对特定的多糖底物具有特异性。如果一个细菌含有一个特定的PUL,这表明它以相应的海藻糖为食。微生物群落的小多样性清除藻类繁殖。

普尔多样性较低

Kruger说:“与我们预期的相反,重要脉冲的多样性相对较低。”只有五大类多糖被定期针对由多个种类的细菌,即葡聚糖(如海带多糖,主要的硅藻存储化合物),α-葡聚糖(如淀粉和糖原、藻类和细菌存储化合物),甘露聚糖和木聚糖(通常藻细胞壁组件),和褐藻酸盐(主要是由褐藻产生的粘稠物质)。在这五种底物中,只有两种(-和-葡聚糖)构成了浮游植物繁殖期细菌可利用的大多数底物。这意味着,死亡藻类释放的最重要的多糖底物是由相当小的一组基本成分组成的。

“鉴于我们所知道的藻类和细菌物种多样性和巨大的潜在的复杂的多糖,它是一个不小的惊喜看到这样一个有限频谱的普尔斯,只有相对少数细菌演化支,”马克斯普朗克海洋微生物研究所(Max Planck Institute for Marine Microbiology)的Ben Francis在一篇附带评论中进行了总结。这尤其出乎意料,因为之前的研究得出了不同的结论。我们的工作小组在同一采样区域对50多种细菌分离物(即可以在实验室培养的细菌)进行了分析,发现了更广泛的PULs多样性,”他补充道。

多糖降解的时间序列

在藻华的过程中,科学家们观察到一个独特的模式:在藻华早期,较少和简单的多糖占主导地位,而更复杂的多糖随着藻华的进展变得可用。弗朗西斯解释说,这可能是由两个因素造成的:“首先,细菌通常更喜欢易于降解的底物,比如简单的储存聚糖,而不是需要更多生化反应的底物。其次,随着藻类的大量繁殖,越来越多的复杂多糖也变得越来越容易获取。”

这项研究为了解浮游植物繁盛及其主角的动态提供了前所未有的视角。对浮游植物爆发事件中糖基介导的大量碳流的基本认识现在已经接近。Kruger说:“下一步,我们想要更深入地研究隐藏在观察到的动态之下的过程。”“此外,研究具有其他碳源的栖息地(如北极海域或沉积物)的多糖降解也很有趣。”

引用

Max Planck Institute for Marine Microbiology. "Simpler than expected: A microbial community with small diversity cleans up algal blooms." ScienceDaily. ScienceDaily, 29 July 2019.
www.sciencedaily.com/releases/2019/07/190729111256.htm.

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