Jul 01, 2023
협력적인 미생물 상호 작용으로 다공성 환경에서 공간 분리가 이루어집니다.
Nature Communications 14권, 기사 번호: 4226(2023) 이 기사 인용 4363 액세스 17 Altmetric Metrics 세부 정보 미생물 상호 작용의 역할과 형태를 형성하는 기본 메커니즘
Nature Communications 14권, 기사 번호: 4226(2023) 이 기사 인용
4363 액세스
17 알트메트릭
측정항목 세부정보
미생물 상호 작용의 역할과 복잡한 생물막 공동체를 형성하는 기본 메커니즘은 잘 알려져 있지 않습니다. 여기에서 우리는 미세유체 칩을 사용하여 다공성 지하 환경을 나타내고 자유 생활 박테리아와 생물막 형성 박테리아 사이의 협력적인 미생물 상호 작용이 활성 공간 분리를 유발하여 분리된 미세 서식지에서 각각의 지배력을 촉진한다는 것을 보여줍니다. 초기 식민지화 동안 자유 생활 및 생물막 형성 미생물은 혼합 플랑크톤 접종원에서 분리되어 주변 유체와 곡물 표면을 차지합니다. 경쟁을 통한 공간적 배제와는 반대로, 활성 공간 분리는 생물막과 플랑크톤 개체군 모두의 적합성을 향상시키는 협력적 상호작용에 의해 유도됩니다. 우리는 또한 자유 생활 Arthrobacter가 생물막 억제제인 D-아미노산을 제거하여 표면 식민지화를 유도하고 생물막 형성 균주가 분비하는 공공재로부터 혜택을 받는다는 것을 보여줍니다. 종합적으로, 우리의 결과는 어떻게 협동적인 미생물 상호작용이 분리된 미세서식지에서 미생물의 공존에 기여하고 지하 생물막 공동체의 계승을 유도할 수 있는지를 보여줍니다.
육상 및 해양 지하 표면은 지구상 미생물의 80% 이상을 보유하고 있으며 따라서 지구상의 주요 미생물 서식지입니다1,2. 미생물이 대부분 자유롭게 생활하는(플랑크톤) 수성 환경(예: 바다)과 달리 지하 표면은 미생물 부착을 위한 엄청나게 넓은 표면적을 제공합니다. 표면에 부착된 미생물은 공극수에서 영양분을 격리하고 생물막이라고 불리는 조밀한 다종 집합체로 성장합니다3,4. 생물막에서 다양한 종의 근접성은 공동체 특성과 기능을 결정하는 정족수 감지 및 시너지 대사와 같은 종 간의 다양한 상호 작용을 촉진합니다5,6,7.
지난 수십 년 동안 지하 생물막 군집 구조를 결정하는 복잡한 상호 작용을 분석하기 위해 이론적이고 실험적인 연구가 수행되었습니다. 교차 공급 파트너와 같은 협동 미생물은 상호 이익을 허용하기 위해 생물막 공동체에서 공동 집합하는 것으로 밝혀졌습니다8,9,10. 대조적으로, 상호 적대적인 미생물은 지역적 틈새에서 서로를 배제하고 공간적으로 분리하는 경향이 있습니다. 직접적인 기능적 결과 외에도 지하 환경의 물리적 구조는 협력적이고 경쟁적인 유전자형의 공간적 분포를 조절함으로써 생태학적 안정성과 기능적 활동을 결정할 수 있습니다. 잘 혼합된 환경과 비교하여 구조화된 조건에서의 공간 분리는 경쟁 및 협력 상호 작용의 균형을 유지하여 커뮤니티를 안정화합니다12. 예를 들어, 다공성 매체의 물리적 분리는 빠른 생물막 형성이 유체 흐름을 차단하고 영양분을 경쟁자에게 방향을 전환시키기 때문에 느리게 성장하는 종과 빠르게 성장하는 종의 공존을 가능하게 합니다13,14. 최근의 한 실험에서는 생물막 컨소시엄의 공간적 분리가 정족수 감지 신호 전송의 충실도를 조정하여 대사산물 교차 공급 및 미생물 성장을 제어한다는 사실도 입증했습니다. 그러나 상호 작용에서 파생된 지하 생물막 공동체에 대한 현재의 이해는 주로 이중 종 공동체에 달려 있습니다. 공간적으로 구조화된 환경에서 미생물 상호작용이 어떻게 다양한 생물막 공동체를 형성하는지에 대해서는 아직 잘 알려져 있지 않습니다.
여기에서는 토양 박테리아가 구조화된 미생물 군집으로 자가 조립되는 다공성 매체에서 생물막 집락화 과정을 조사했습니다. 미세유체학, 16S rRNA 유전자 앰플리콘 시퀀싱 및 형광 in situ 하이브리드화(FISH)를 사용하여 우리는 초기 생물막 개발 중에 생물막이 결핍된 종이 생물막 형성 미생물이 표면을 식민지화할 수 있도록 미세 규모 환경을 적극적으로 프라이밍하는 것을 관찰했습니다. 우리는 종간 상호 작용의 메커니즘을 밝히기 위해 엑소메타볼로믹스, 전사체학, 쌍별 상호 작용 분석 및 유전자 조작을 추가로 수행했습니다. 우리는 생물막 결핍 종과 생물막 형성 종 사이의 상호 작용이 지하 환경에서 활성 공간 분리를 통해 미생물 군집 계승을 유도한다는 것을 발견했습니다.
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>
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