호기성 박테리아는 탈질작용을 통해 산화질소를 생성하고 조류 개체군 붕괴를 촉진합니다.

ISME 저널 17권, 페이지 1167–1183(2023)이 기사 인용

3460 액세스

1 인용

4 알트메트릭

측정항목 세부정보

미생물 상호작용은 해양 생지화학을 지배합니다. 이러한 상호 작용은 일반적으로 유기 분자의 교환에 의존하는 것으로 간주됩니다. 여기에서 우리는 Phaeobacter inhibens 박테리아와 Gephyrocapsa huxleyi 조류 사이의 조류-세균 상호 작용이 무기 질소 교환을 통해 매개된다는 것을 보여주는 미생물 통신의 새로운 무기 경로에 대해 보고합니다. 산소가 풍부한 조건에서 호기성 박테리아는 잘 연구된 혐기성 호흡 메커니즘인 탈질작용을 통해 조류에서 분비된 아질산염을 산화질소(NO)로 감소시킵니다. 박테리아 NO는 프로그램된 세포 사멸과 유사한 조류의 연쇄반응을 유발하는 데 관여합니다. 사망하는 동안 조류는 NO를 추가로 생성하여 조류 개체군에 신호를 전파합니다. 결국, 해양 조류 번성의 갑작스러운 소멸과 유사하게 조류 개체수는 붕괴됩니다. 우리의 연구는 산소가 공급된 환경에서 무기질소종의 교환이 왕국 내부 및 왕국 간 미생물 통신의 잠재적으로 중요한 경로임을 시사합니다.

산소가 공급된 표층수에 서식하는 다양한 해양 박테리아는 탈질 유전자를 가지고 있습니다. 탈질은 미생물이 산소 농도를 제한하면서 세포의 생체 에너지를 유지할 수 있게 하는 미생물 과정이기 때문에 이는 놀라운 일입니다[1]. 탈질을 수행하기 위해 특수 미생물은 말단 전자 수용체 역할을 하는 질소 종의 다단계 환원 과정을 담당하는 효소를 발현합니다. 완전한 탈질화 과정은 질산염(NO3̅)을 아질산염(NO2̅)으로, 그 다음 산화질소(NO), 아산화질소(N2O), 마지막으로 이질소(N2)로 환원하는 것으로 시작됩니다(그림 1A). 해양에서는 산소결핍지대(ODZ)와 해양퇴적물에서 미생물의 탈질화가 광범위하게 일어나고[2,3], 아질산염, NO, 아산화질소를 포함한 모든 탈질화 중간물질이 해양환경에 축적되는 것이 관찰된다[3,4,5 ]. NO 중간체에 관한 지식은 수명이 짧기 때문에 부족합니다[3]. 따라서 바닷물에 존재하는 비밀스러운 존재는 결과를 간과했을 수 있습니다.

조류 바이오매스 동화 과정에서 질산염을 암모늄으로 동화 환원하면 중간체로서 아질산염이 생성됩니다. 박테리아 탈질화 동안 이질소로의 이질질산염 환원에는 중간체로서 아질산염도 포함되며, 이는 NO로 더 환원됩니다. 원고에서 논의된 주요 질소종은 회색으로 표시되어 있습니다. 표시된 날짜에 무균 조류 배양액의 여과액에서 B 질산염 및 (C) 아질산염이 검출되었습니다. D 무균 조류 배양물(연한 녹색) 및 공동 배양물(진한 녹색)의 여과액에서 아질산염을 매일 모니터링합니다. E, F 무균 조류 배양물(연한 녹색 막대) 및 조류-박테리아 공동 배양물(진한 녹색 막대)에서 조류 성장(막대) 및 박테리아 성장(검은색 선). E 103 조류/ml의 조류 접종원으로 시작된 배양. F 105 세포/ml의 조류 접종원으로 시작된 배양. 검은 색 화살표는 (D)와 그림 S1D에 표시된 것처럼 세포 외 아질산염 피크의 날을 나타냅니다. 그림의 각 데이터 포인트는 최소 3개의 생물학적 복제로 구성되며 오류 막대는 ±SD를 지정합니다. 무균 배양물과 공동 배양물의 조류 세포 수를 비교하기 위해 2-샘플 t 테스트를 사용하여 통계적 유의성을 계산했습니다. E 17일째의 조류 세포 수와 10일째의 (F)는 무균 배양과 공동 배양 사이에 유의미한 차이가 있었고 p < 0.01로 나타났습니다.

해양의 NO는 탈질화 이외의 원인으로 인해 발생할 수 있습니다. 실제로, 대부분의 살아있는 유기체는 정상 생리와 교란 생리 모두에서 신호 전달을 위해 이 분자를 생산합니다[6,7,8]. NO는 종종 단세포 및 다세포 생물 모두에서 프로그램화된 세포 사멸(PCD) 및 산화 스트레스 과정과 관련이 있습니다[9,10,11,12]. NO는 작은 막 투과성 가스 분자이기 때문에 인접한 세포를 쉽게 통과합니다 [13]. 산소가 공급된 환경에서 NO의 짧은 반감기는 조직 내에서 국소적인 반응을 보장합니다[13]. 마찬가지로, 단세포 유기체의 NO는 가까운 이웃의 반응을 자극할 수 있습니다[14,15,16]. 실제로, NO는 미세조류인 Gephyrocapsa huxleyi(이전의 Emiliania huxleyi [17]) [18]의 밀집된 개체군에서 세포 사이에 확산되는 것으로 제안되었습니다.