好気性細菌は脱窒によって一酸化窒素を生成し、藻類の集団崩壊を促進します

ISME Journal volume 17、pages 1167–1183 (2023)この記事を引用する

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微生物の相互作用は海洋生物地球化学を支配します。 これらの相互作用は一般に有機分子の交換に依存していると考えられています。 今回我々は、微生物伝達の新しい無機経路について報告し、フェオバクター・インハイベンス細菌とゲフィロカプサ・ハクスレイ藻類の間の藻類－細菌相互作用が無機窒素交換を介して媒介されることを示した。 酸素が豊富な条件下では、好気性細菌は、よく研究されている嫌気性呼吸機構である脱窒を通じて、藻類が分泌する亜硝酸塩を一酸化窒素 (NO) に還元します。 細菌の NO は、プログラムされた細胞死に似た藻類のカスケードの誘発に関与しています。 藻類は死ぬ間、さらに NO を生成し、それによって藻類集団内にシグナルを伝播します。 最終的には、海洋藻類の突然の消滅と同様に、藻類の個体数は崩壊します。 私たちの研究は、酸素環境における無機窒素種の交換が、界内および界を越えた微生物のコミュニケーションの潜在的に重要な経路であることを示唆しています。

酸素を含んだ表層水に生息するさまざまな海洋細菌は、脱窒遺伝子を持っています。 脱窒は微生物のプロセスであり、微生物が酸素濃度を制限しながら細胞の生体エネルギーを維持できるようにするため、これは驚くべきことである[1]。 脱窒を行うために、特殊な微生物は、末端電子受容体として機能する窒素種の多段階還元プロセスを担う酵素を発現します。 完全な脱窒プロセスは、硝酸塩 (NO3′) を亜硝酸塩 (NO2′) に還元することから始まり、次に一酸化窒素 (NO)、亜酸化窒素 (N2O)、そして最後に二窒素 (N2) に還元されます (図 1A)。 海洋では、微生物による脱窒が酸素欠乏帯（ODZ）や海洋堆積物で広く発生しており[2、3]、亜硝酸塩、NO、亜酸化窒素を含むすべての脱窒中間体が海洋環境に蓄積することが観察されています[3、4、5]。 ]。 NO 中間体はその短命な性質のため、知識が不足しています [3]。 したがって、海水中のその不可解な存在は、見落とされる結果を引き起こす可能性があります。

藻類バイオマスの同化中に硝酸塩がアンモニウムに還元されると、中間体として亜硝酸塩が生成されます。 細菌の脱窒中の硝酸塩の二窒素への異化的還元には、中間体として亜硝酸塩も含まれ、さらに NO に還元されます。 原稿で説明されている主な窒素種は灰色で示されています。 B 硝酸塩および (C) 亜硝酸塩は、示された日に無菌藻類培養の濾液で検出されました。 D 無菌藻類培養物 (薄緑色) および共培養物 (濃緑色) の濾液中の亜硝酸塩の毎日のモニタリング。 E、F 無菌藻類培養物（薄緑色のバー）および藻類と細菌の共培養物（濃緑色のバー）における藻類の成長（バー）および細菌の成長（黒線）。 E 培養は 103 藻類/ml の藻類接種材料で開始されました。 F 培養は 105 細胞/ml の藻類接種材料で開始されました。 黒い矢印は、(D)および図S1Dに示すように、細胞外亜硝酸塩ピークの日を示します。 図の各データ ポイントは少なくとも 3 つの生物学的複製で構成され、エラー バーは ±SD を示します。 統計的有意性は、無菌培養物と共培養物の藻類細胞数を比較するために、2 サンプル t 検定を使用して計算されました。 E 17 日目の藻類細胞数と 10 日目の (F) 藻類細胞数は、無菌培養と共培養の間で有意に異なり、p < 0.01 となりました。

海洋中の NO は、脱窒以外の発生源に由来する可能性があります。 実際、ほとんどの生物は、正常な生理機能と混乱した生理機能の両方で、シグナル伝達のためにこの分子を生成します[6、7、8]。 NO は、単細胞生物と多細胞生物の両方において、プログラム細胞死 (PCD) および酸化ストレスのプロセスに関連していることがよくあります [9、10、11、12]。 NO は小さな膜透過性のガス分子であるため、隣接する細胞を容易に通過します [13]。 酸素化された環境における NO の半減期は短いため、組織内の局所的な反応が確実に行われます [13]。 同様に、単細胞生物の NO は、近隣生物の反応を刺激する可能性があります [14、15、16]。 実際、NO は、微細藻類 Gephyrocapsa huxleyi (以前の Emiliania huxleyi [17]) の密集集団内の細胞間を拡散することが示唆されています [18]。