Marint mikrobiom

Marint djur värd-mikrobiom förhållande

Relationer anses generellt existera i ett symbiotiskt tillstånd och är normalt utsatta för miljö- och djurspecifika faktorer som kan orsaka naturliga variationer. Vissa händelser kan förändra relationen till ett fungerande men förändrat symbiotiskt tillstånd, medan extrema stresshändelser kan orsaka dysbios eller ett sammanbrott av relationen och interaktioner.

Alla djur på jorden bildar associationer med mikroorganismer, inklusive protister, bakterier, arkéer, svampar och virus. I havet har djur-mikrobiella relationer historiskt utforskats i enstaka värd-symbiontsystem. Nya undersökningar av mångfalden av marina mikroorganismer som associeras med olika marina djurvärdar flyttar fältet till studier som tar upp interaktioner mellan djurvärden och en mikrobiom med flera medlemmar . Potentialen för mikrobiomer att påverka marina djurs hälsa, fysiologi, beteende och ekologi kan förändra nuvarande uppfattningar om hur marina djur anpassar sig till förändringar, och särskilt de växande klimatrelaterade och antropogena inducerade förändringarna som redan påverkar havsmiljön.

I haven är det utmanande att hitta eukaryota organismer som inte lever i nära relation med en mikrobiell partner. Värdassocierade mikrobiomer påverkar också biogeokemiska kretslopp inom ekosystem med kaskadeffekter på biologisk mångfald och ekosystemprocesser. Mikrobiomen hos olika marina djur studeras för närvarande, från förenklade organismer inklusive svampar och ctenoforer till mer komplexa organismer som havssprutor och hajar .

Bakgrund

Hydrotermisk ventil för djuphavsvatten

Jätterörmaskar är beroende av symbiotiska bakterier i deras mellantarm för näring

Djupvattensmusslan Bathymodiolus childressi är beroende av intracellulära metanotrofa bakterier i sina gälar som en kolkälla

Inom den stora biologiska mångfalden som lever i världshaven skulle det vara utmanande att hitta en eukaryot organism som inte lever i nära relation med en mikrobiell partner . Sådana symbioser , dvs ihållande växelverkan mellan värd och mikrob där ingen av partnerna kommer till skada och åtminstone en av dem gynnas, är allestädes närvarande från grunda rev till hydrotermiska öppningar i djuphavet . Studier på koraller , svampar och blötdjur har avslöjat några av de mycket viktiga symbiotiska rollerna som mikrober spelar i sina värdars liv. Dessa studier har emellertid tenderat att fokusera på ett litet antal specifika mikrobiella taxa. Däremot behåller de flesta värdar grupper av många hundra olika mikrober (dvs. en mikrobiom , som i sig kan variera genom värdens ontogeni och som ett resultat av miljöstörningar. Snarare än värdassocierade mikrober som fungerar oberoende, komplexa multiaggregationer mikrobiomer har stor inverkan på deras värdars kondition och funktion. Att studera dessa komplexa interaktioner och biologiska resultat är svårt, men att förstå ursprunget och utvecklingen av organismer och populationer och strukturen och funktionen hos samhällen och ekosystem, förståelsen av symbioser i värden -mikrobiomsystem behöver utvecklas.

Det finns många utestående frågor inom ekologi och evolution som skulle kunna lösas genom att utöka den fylogenetiska och ekologiska bredden av värdassocierade mikrobiomstudier, inklusive alla möjliga interaktioner i hela mikrobiomen. Det finns starka empiriska bevis och ny konsensus om att biologisk mångfald (dvs arternas rikedom och deras interaktioner) genomgripande påverkar hur jordens ekosystem fungerar, inklusive ekosystemproduktiviteten. Denna forskning har dock nästan uteslutande fokuserat på makroorganismer. Eftersom mikrobiella symbionter är integrerade delar av de flesta levande organismer behöver förståelsen för hur mikrobiella symbionter bidrar till värdens prestanda och anpassningsförmåga breddas.

Grunderna för produktiva ekosystem

Möjlig dynamik i symbios med vattenlevande ciliater som värd Svart cirkel: makrokärna, vit stor cirkel: matvakuoler, gröna cirklar: fototrofer, bruna cirklar: kemoautotrofer, gula ovaler: heterotrofa prokaryoter

Ekosystemingenjörer , som många typer av koraller, djuphavsmusslor och hydrotermiska ventilrörmaskar, bidrar till primär produktivitet och skapar de strukturella livsmiljöer och näringsresurser som är grunden för deras respektive ekosystem. Alla dessa taxa engagerar sig i mutualistiska näringssymbioser med mikrober. Det finns många exempel på marina näringsmässiga mutualismer där mikrober gör det möjligt för värdar att använda resurser eller substrat som annars inte är tillgängliga för värden ensam. Sådana symbioser har beskrivits i detalj i reducerade och anoxiska sediment (t.ex. lucinida musslor , stilbonematidnematoder och gutless oligochaetes ) och hydrotermiska öppningar (t.ex. jätterörmasken eller djuphavsmusslor ) . Dessutom är många grundläggande arter av marina makroalger vitaminauxotrofer (till exempel var hälften av mer än 300 undersökta arter oförmögna att syntetisera kobalamin ), och deras produktivitet beror på tillförsel från deras epifytiska bakterier. Rev består ofta av steniga koraller , ett av de mest välkända exemplen på en mutualistisk symbios, där dinoflagellatalgen Symbiodiniaceae förser korallen med glukos , glycerol och aminosyror , medan korallen ger algerna en skyddad miljö och begränsande föreningar (t.ex. kvävearter) som behövs för fotosyntes. Detta är dock ett klassiskt exempel på en mutualistisk symbios som är känslig för miljöstörningar, vilket kan störa de ömtåliga interaktionerna mellan värd och mikrob. När reven blir varma och eutrofa kan mutualistiska Symbiodiniaceae inducera cellulär skada på värden och/eller binda mer resurser för sin egen tillväxt, och därigenom skada och parasitera sina värdar. Revfiskar , som söker hem på korallrev , är viktiga för att främja korallåterhämtning i spåren av störningar. Epulopiscium-bakterier i tarmarna på kirurgfiskar producerar enzymer som gör att deras värdar kan smälta komplexa polysackarider , vilket gör att värdfisken kan livnära sig på sega, läderartade röda och bruna makroalger. Denna trofiska innovation har underlättat nischdiversifiering bland korallrevsväxtätare . Kirurgfiskar är avgörande för funktionen hos korallrev i Indo-Stillahavsområdet, eftersom de är bland de enda fiskarna som kan konsumera stora makroalger som blommar i spåren av ekosystemstörningar och hämmar korallåterhämtning.

Den tarmlösa masken Olavius algarvensis är beroende av symbiotiska bakterier som lever under dess nagelband som dess källa till föda. Bakterierna är ansvariga för maskarnas ljusa vita utseende.

Tillsammans med mer standardexempel på näringssymbioser hos djur, har de senaste framstegen inom genomsekvenseringsteknologin lett till upptäckten av många endosymbiotiska associationer hos marina protister (en protist är en allmän term för att hänvisa till en icke- monofyletisk samling av encelliga eukaryoter som inte är svampar eller i Plantae -gruppen) Dessa illustrerar införlivandet av olika nya biokemiska funktioner, såsom fotosyntes, kvävefixering och återvinning, och metanogenes, i protistvärdar av endosymbionter. Endosymbios hos protister är utbredd och representerar en viktig källa till innovation. Tidigare okända metaboliska innovationer av marina mikrobiella symbioser som är ekologiskt viktiga upptäcks regelbundet. Till exempel Candidatus Kentron (en kladd av Gammaproteobacteria som finns i samband med ciliater ) näring till sina ciliatvärdar i släktet Kentrophoros och återvinner acetat och propionat , som är lågvärdiga cellulära avfallsprodukter från deras värdar, till biomassa . Ett annat exempel är det anaeroba marina ciliatet Strombidium purpureum . Ciliatet lever under anaeroba förhållanden och hyser endosymbiotiska lila svavelfria bakterier som innehåller både bakterioklorofyll a och spirilloxantin. Endosymbionterna är fotosyntetiskt aktiva; därför representerar denna symbios en evolutionär övergång av en aerob organism till en anaerob samtidigt som den innehåller organeller .

Reproduktion och värdutveckling

Mikrobiella symbioser sträcker sig bortom näringssymbioser och kan förändra sina värdars reproduktion, utveckling och tillväxt. Specifika bakteriestammar i marina biofilmer styr ofta direkt rekryteringen av planktonlarver och propagula, antingen genom att hämma bosättning eller genom att fungera som en bosättningssignal. Till exempel förmedlas avsättningen av zoosporer från grönalgen Ulva intestinalis på biofilmer av specifika bakterier av deras attraktion till den kvorumavkännande molekylen, acyl-homoserinlakton, som utsöndras av bakterierna. Klassiska exempel på marin värd-mikrober utvecklingsberoende inkluderar observationen att algkulturer som odlats i isolering uppvisade onormala morfologier och den efterföljande upptäckten av morfogenesinducerande föreningar, såsom tallusin, utsöndrade av epifytiska bakteriesymbionter. Bakterier är också kända för att påverka tillväxten av marina växter, makroalger och växtplankton genom att utsöndra fytohormoner som indolättiksyra och hormoner av cytokinintyp. I den marina choanoflagellatet Salpingoeca rosetta utlöses både flercellig förökning och reproduktion av specifika bakteriella signaler, vilket ger en inblick i ursprunget till bakteriell kontroll över djurens utveckling (recensat av Woznica och King. Fördelen för bakterierna i gengäld är att de får fysiskt utrymme för att kolonisera på särskilda punkter i vattenpelaren som vanligtvis endast är tillgängligt för planktoniska mikrober. Det kanske bäst studerade exemplet på intima värd-mikrober-interaktioner som styr djurens utveckling är den hawaiianska bobtail-bläckfisken Euprymna scolopes. Den lever i en mutualistisk symbios med den självlysande bakterier Aliivibrio fischeri. Bakterierna matas med en lösning av socker och aminosyror av värden och ger i gengäld bioluminescens för motskuggning och undvikande av rovdjur. Denna mutualism med mikrober ger en selektiv fördel för bläckfisken i interaktioner mellan rovdjur och bytesdjur. Ett annat ryggradslöst djur exempel kan hittas i tubmaskar, där Hydroides elegans metamorfos förmedlas av en bakterieinducerare och mitogenaktiverat proteinkinas (MAPK) signalering i biofilmer.

Biofouling och mikrobiell samhällsförsamling

Vissa marina djur och tillhörande mikrobiomer

(A) Hawaiian bobtail squid och (B) en TEM av Vibrio fischeri- celler som associeras med täta mikrovilli (MV) och i närheten av epitelkärnan (N) i ljusorganet. (C) den revbyggande korallen Stylophora pistillata och (D) en mikroskopibild av Endozoicomonas -celler (proberade gula med in situ hybridisering) inom tentaklerna hos en S. pistillata -värd. (E) den atlantiska köldfisken och (F) en SEM- bild av fiskens yta och fjäll, med pilar som pekar på celler i bakteriestorlek och större celler (som inte noteras) är förmodligen växtplankton. (G) en knölval som bryter mot och (H) en SEM-bild av en knölryggs hudyta associerade bakterier, med pilar som indikerar två olika cellmorfologier.

Vissa värdassocierade mikrober producerar föreningar som förhindrar bioförorening och reglerar mikrobiommontering och underhåll i många marina organismer, inklusive svampar, makroalger och koraller. Till exempel hyser tropiska koraller olika bakterier i sitt ytskikt av slem som producerar kvorumavkännande hämmare och andra antibakteriella föreningar som ett försvar mot kolonisering och infektion av potentiella mikrobiella patogener. Epifytiska bakterier av marina makroalger utsöndrar en mångsidig kemisk arsenal som kan selektivt forma ytterligare bakteriell kolonisering och avskräcka bosättningen av biologiskt förorenande marina ryggradslösa djur som mossor. Liksom i koraller inkluderar dessa olika mikrobiellt utsöndrade föreningar inte bara bakteriedödande och bakteriostatiska antibiotika utan också föreningar som halogenerade furanoner, cykliska dipeptider och acyl-homoserin laktonhärmar som stör bakteriell kvorumavkänning och hämmar biofilmbildning. Bakterierna kan sannolikt utnyttja de kolrika utsöndringarna från sina värdar. Till exempel, när det gäller jättekelp, släpper algen ut ungefär 20 % av primärproduktionen som löst organiskt kol. Medan dessa tidigare exempel illustrerar hur mikrobiomer kan skydda värdar från ytkolonisering, har ett liknande fenomen också observerats internt i skeppsmasken Bankia setacea, där symbionter producerar ett boronerat tartrolonantibiotikum som tänks hålla den träsmältande blindtarmen fri från bakteriella föroreningar. Genom att producera antimikrobiella föreningar kan dessa mikrober försvara sitt nischutrymme för att förhindra att andra organismer tränger ut dem.

Biogeokemisk cykling

Värdassocierade mikrobiomer påverkar också biogeokemiska kretslopp inom ekosystem med kaskadeffekter på biologisk mångfald och ekosystemprocesser. Till exempel utgör mikrobiella symbionter upp till 40 % av biomassan hos deras svampvärdar. Genom en process som kallas "svampslingan" omvandlar de löst organiskt kol som frigörs av revorganismer till partikelformigt organiskt kol som kan konsumeras av heterotrofa organismer. Tillsammans med korall-Symbiodiniaceae-mutualismen hjälper denna svampbakteriella symbios till att förklara Darwins paradox, dvs hur högproduktiva ekosystem för korallrev finns i annars oligotrofa tropiska hav. Vissa svampsymbionter spelar en betydande roll i den marina fosforcykeln genom att binda näringsämnen i form av polyfosfatgranuler i vävnaden hos deras värd och kvävekretslopp, t.ex. genom nitrifikation, denitrifikation och ammoniakoxidation.]. Många makroalgassocierade bakterier är specifikt anpassade för att bryta ner komplexa algpolysackarider (t.ex. fucoidan, porfyran och laminarin) och modifiera både kvaliteten och kvantiteten av organiskt kol som tillförs ekosystemet. De svaveloxiderande gälendosymbionterna hos lucinida musslor bidrar till primär produktivitet genom kemosyntes och underlättar tillväxten av sjögräs (viktiga grundarter) genom att sänka sulfidkoncentrationerna i tropiska sediment. Gammaproteobakteriella symbionter av lucinida musslor och stilbonematidnematoder visades också vara kapabla till kvävefixering (bakteriella symbiontgenom kodar för och uttrycker nitrogenasgener, vilket framhäver rollen av symbiotiska mikrober i näringsämneskretslopp i grunda marina system.

Dessa exempel visar på betydelsen av mikrobiella symbioser för havsekosystemens funktion. Att förstå symbioser med samma detaljnivå i sammanhanget av komplexa samhällen (dvs hela mikrobiomer) är fortfarande moget för utforskning och kräver faktiskt en mer integrerad ram från områdena mikrobiologi, evolutionsbiologi, samhällsekologi och oceanografi. Individuella taxa inom mikrobiomet kan hjälpa värdar att motstå ett brett spektrum av miljöförhållanden, inklusive de som förutsägs under scenarier av klimatförändringar. Därefter utforskar vi två olika vägar för hur tvärvetenskapliga samarbeten kan främja denna forskningslinje.

Exempel

Relationer mellan koraller och deras mikrobiella symbionter

Mikrobiomen hos olika marina djur studeras för närvarande, från förenklade organismer inklusive svampar och ctenoforer till mer komplexa organismer som havssprutor och hajar.

Relationen mellan den hawaiianska bobtailbläckfisken och den självlysande bakterien Aliivibrio fischeri är ett av de bäst studerade symbiotiska förhållandena i havet och är ett valsystem för allmän symbiosforskning. Detta förhållande har gett insikt i grundläggande processer i djur-mikrobiella symbioser, och särskilt biokemiska interaktioner och signalering mellan värden och bakterien.

Den tarmlösa marina oligochaetmasken Olavius algarvensis är en annan relativt välstuderad marin värd för mikrober . Dessa tre centimeter långa maskar finns i grunda marina sediment i Medelhavet. Maskarna innehåller inte en mun eller ett matsmältnings- eller utsöndringssystem, utan får i stället näring med hjälp av en svit av extracellulära bakteriella endosymbionter som finns på samordnad användning av svavel som finns i miljön. Detta system har dragit nytta av några av de mest sofistikerade 'omics- och visualiseringsverktygen. Till exempel har multi-märkt sondering förbättrat visualisering av mikrobiomet och transkriptomik och proteomik har använts för att undersöka värd-mikrobiom-interaktioner, inklusive energiöverföring mellan värden och mikrober och igenkänning av konsortierna av maskens medfödda immunsystem. Den största styrkan med detta system är att det erbjuder möjligheten att studera värd-mikrobiom-interaktioner med ett mikrobiellt konsortium med låg diversitet, och det erbjuder också ett antal värd- och mikrobiella genomiska resurser

Koraller

Fylogenetiska träd som representerar bakteriella OTU från klonbibliotek och nästa generations sekvensering . OTU:er från nästa generations sekvensering visas om OTU:n innehöll fler än två sekvenser i den icke-rarifierade OTU-tabellen (3626 OTU).

Koraller är ett av de vanligaste exemplen på en djurvärd vars symbios med mikroalger kan förvandlas till dysbios och upptäcks synligt som blekning. Korallmikrobiomer har undersökts i en mängd olika studier, som visar hur variationer i havsmiljön, framför allt temperatur, ljus och oorganiska näringsämnen, påverkar förekomsten och prestanda hos mikroalgsymbionterna, såväl som förkalkning och fysiologi hos värden .

Studier har också föreslagit att inhemska bakterier, arkéer och svampar dessutom bidrar till att näringsämnen och organiskt material cirkulerar i korallen, med virus som möjligen också spelar en roll i att strukturera sammansättningen av dessa medlemmar, vilket ger en av de första glimtarna av en multi- domän marina djur symbios. Gammaproteobakterien Endozoicomonas växer fram som en central medlem av korallens mikrobiom, med flexibilitet i sin livsstil . Med tanke på den senaste tidens massblekning på rev, kommer koraller sannolikt att fortsätta att vara ett användbart och populärt system för symbios- och dysbiosforskning.

Astrangia poculata , den nordliga stjärnkorallen, är en tempererad stenig korall , brett dokumenterad längs USA:s östkust. Korallen kan leva med och utan zooxanthellae (algsymbionter), vilket gör den till en idealisk modellorganism för att studera mikrobiella gemenskapsinteraktioner associerade med symbiotiskt tillstånd. Förmågan att utveckla primrar och prober för att mer specifikt rikta in sig på nyckelmikrobiella grupper har emellertid hindrats av avsaknaden av fullängds 16S rRNA -sekvenser, eftersom sekvenser som produceras av Illumina-plattformen är av otillräcklig längd (ungefär 250 baspar) för design av primrar och prober. Under 2019 visade Goldsmith et al att Sanger-sekvensering kunde reproducera den biologiskt relevanta mångfalden som detekteras genom djupare nästa generations sekvensering, samtidigt som de producerar längre sekvenser som är användbara för forskarsamhället för prob- och primerdesign (se diagram till höger).

Svampar

Svampar är vanliga medlemmar i havets olika bentiska livsmiljöer och deras överflöd och förmåga att filtrera stora volymer havsvatten har lett till medvetenheten om att dessa organismer spelar en avgörande roll för att påverka bentiska och pelagiska processer i havet. De är en av de äldsta djurstammarna och har en relativt enkel kroppsplan som vanligtvis förknippas med bakterier, arkéer, algprotister, svampar och virus. Svampmikrobiomer är sammansatta av specialister och generalister, och komplexiteten hos deras mikrobiom verkar formas av värdfylogeni. Studier har visat att svampmikrobiomet bidrar till kvävets kretslopp i haven, särskilt genom oxidation av ammoniak av arkéer och bakterier. Senast visades mikrobiella symbionter av tropiska svampar producera och lagra polyfosfatgranuler, vilket kanske gör det möjligt för värden att överleva perioder av fosfatutarmning i oligotrofa marina miljöer. Mikrobiomen hos vissa svamparter verkar förändras i samhällsstrukturen som svar på förändrade miljöförhållanden, inklusive temperatur och havsförsurning, såväl som synergistiska effekter.

Samla ett slagprov från en blåval med hjälp av en helikopterdrönare

Valar

Relativt överflöd av bakterieklasser identifierade i provtagna valslag, luft och havsvatten.

Tillgången till mikrobiella prover från tarmen från marina däggdjur är begränsad eftersom de flesta arter är sällsynta, hotade och djupdykare. Det finns olika tekniker för att ta prover från valens tarmmikrobiom. Det vanligaste är att man tar avföringsprov från omgivningen och tar en sond från centret som är icke-kontaminerad. Dessutom finns studier från ändtarmsprover och sällsynta studier från strandade döda eller levande djur direkt från tarmen.

Det yttersta epidermala lagret, dvs huden, är den första barriären som skyddar individen från omvärlden och den epidermala mikrobiomet på den anses vara en indikator inte bara på djurets hälsa utan anses också vara en ekologisk indikator som visar tillståndet av den omgivande miljön. Att känna till mikrobiomet i huden på marina däggdjur under "normala" förhållanden har gjort det möjligt för oss att förstå hur dessa samhällen skiljer sig från de fria mikrobiella samhällena som finns i havet och hur de kan förändras beroende på abiotiska och biotiska variationer, och även " ' samhällen varierar mellan friska och sjuka individer'' .

Valar är i fara eftersom de påverkas av flera stressfaktorer som gör dem mer sårbara för olika sjukdomar. Dessa djur har noterats visa hög känslighet för luftvägsinfektioner, men mycket lite är känt om deras respiratoriska mikrobiom. Därför kan provtagningen av utandningen eller "slaget" av valarna ge en bedömning av hälsotillståndet. Blow består av en blandning av mikroorganismer och organiskt material , inklusive lipider , proteiner och cellrester som härrör från luftvägarnas beklädnader som, när de släpps ut i den relativt svalare utomhusluften, kondenseras för att bilda en synlig massa av ånga, som kan vara samlade in. Det finns olika metoder för att samla utandningsprover, en av de senaste är genom användning av flygdrönare. Denna metod ger ett säkrare, tystare och mindre invasivt alternativ och ofta ett kostnadseffektivt alternativ för att övervaka fauna och flora. När de erhållits tas blåsproverna till laboratoriet och vi fortsätter med amplifieringen och sekvenseringen av luftvägsmikrobiotan. Användningen av flygdrönare har varit mer framgångsrik med stora valar på grund av låga simhastigheter och större slagstorlekar.

Marina holobionter

Revbyggande koraller är holobionter som inkluderar själva korallen (ett eukaryotiskt ryggradslöst djur inom klass Anthozoa ), fotosyntetiska dinoflagellater som kallas zooxanthellae ( Symbiodinium ) och associerade bakterier och virus. Samevolutionära mönster finns för korallmikrobiella samhällen och korallfylogeni.

Ytterligare referenser

Stal, LJ och Cretoiu, MS (Eds.) (2016) Den marina mikrobiomet: en outnyttjad källa till biologisk mångfald och bioteknisk potential Springer. ISBN 9783319330006 .