Морской микробный симбиоз
| Часть серии о |
| Микробиомы |
|---|
 |
Микробный симбиоз у морских животных не был открыт до 1981 года. [3] В дальнейшем симбиотические отношения между морскими беспозвоночными и хемоавтотрофными бактериями были обнаружены в самых разных экосистемах, от мелководных прибрежных вод до глубоководных гидротермальных источников . Симбиоз – это способ морских организмов найти творческие способы выживания в очень динамичной среде. Они различны в зависимости от того, насколько организмы зависят друг от друга или как они связаны. В некоторых научных аспектах его также считают селективной силой, стоящей за эволюцией. Симбиотические отношения организмов способны изменять поведение, морфологию и пути метаболизма. С ростом признания и исследований также возникает новая терминология, такая как холобионт, которая обозначает отношения между хозяином и его симбионтами как одной группой. [4] Многие ученые будут изучать гологеном, который представляет собой объединенную генетическую информацию хозяина и его симбионтов. Эти термины чаще используются для описания микробных симбионтов.
Типы морских животных сильно различаются: например, губки, асцидии, кораллы, черви и водоросли содержат множество уникальных симбионтов. [5] Каждые симбиотические отношения представляют собой уникальную экологическую нишу, которая, в свою очередь, может привести к появлению совершенно новых видов хозяев и симбионтов. [3]
Особенно интересно, что открытие морского микробного симбиоза заняло так много времени, потому что почти каждая поверхность, погруженная в океаны, покрывается биопленкой . [6] включая большое количество живых организмов. Многие морские организмы демонстрируют симбиотические отношения с микробами. эпибиотические бактерии живут на личинках ракообразных и защищают их от грибковых инфекций. Было обнаружено, что [6] Было обнаружено, что другие микробы в глубоководных жерлах препятствуют заселению ракушек и личинок оболочников. [6]
Механизмы симбиоза
[ редактировать ]Различные механизмы используются для облегчения симбиотических отношений и помощи этим партнерам развиваться вместе друг с другом. Используя горизонтальный перенос генов, определенные генетические элементы могут передаваться от одного организма к другому. У не спаривающихся видов это помогает в генетической дифференциации и адаптивной эволюции. [7] Примером этого является губка Astroclera willeyana , имеющая ген, используемый для экспрессии клеток, образующих сферолиты, происходящих от бактерий. Другим примером является морская анемон-звездочка Nematostella vectensis, у которой есть гены бактерий, которые играют роль в обеспечении защиты от УФ-излучения в форме шикимовой кислоты. Другой способ совместного развития симбиотических отношений — это эрозия генома. Это процесс, при котором гены, которые обычно используются в периоды свободной жизни, не нужны из-за симбиоза организмов. Без этого гена организм способен уменьшить количество энергии, необходимой для поддержания и репликации клеток. [7]
Виды симбиотических отношений
[ редактировать ]
Существуют различные симбиотические отношения:
- Мутуализм – это отношения, в которых оба партнера получают выгоду.
- Комменсализм – это отношения, в которых один партнер получает выгоду, а другой не страдает.
- Паразитизм – это когда один партнер получает выгоду за счет хозяина. [9]
- Аменсализм — менее распространенный тип отношений, при котором один организм не получает никакой пользы, а другой все еще имеет негативные последствия.
Родство может быть либо эктосимбионтом , симбионтом, который выживает, прикрепляясь к поверхности хозяина, включая такие области, как внутренние поверхности кишечной полости или даже протоки эндокринных желез; или эндосимбионт , симбионт, который живет внутри своего хозяина и может быть известен как внутриклеточный симбионт . [7]
Далее они классифицируются по зависимости от хозяина и могут быть факультативным симбионтом , который может существовать в условиях свободного существования и не зависит от своего хозяина, или облигатным симбионтом , который адаптировался таким образом, что не способен выйти без выгоды, которую он получает от своего хоста. Примером облигатного симбиоза являются взаимоотношения микроводорослей и кораллов. Микроводоросли являются основным источником коралловой диеты. [7]
Некоторые симбиотические отношения
[ редактировать ]Симбиоз коралловых рифов
[ редактировать ]Наиболее заметным проявлением морских симбиотических отношений являются кораллы. Коралловые рифы являются домом для множества симбионтов динофлагеллят . [10] эти симбионты придают кораллам яркую окраску и жизненно важны для выживания рифа. Симбионты обеспечивают кораллы пищей в обмен на защиту. Если вода нагреется или станет слишком кислой, симбионты будут изгнаны, коралл обесцвечивается , а если условия сохранятся, коралл погибнет. Это, в свою очередь, приводит к коллапсу всей экосистемы рифа. [10]
Симбиоз червей, питающихся костями
[ редактировать ]
Оседакс , также называемый червем, питающимся костями, представляет собой сибоглинидный червь из рода полихет . Он был обнаружен в сообществе китопадов на поверхности костей в оси каньона Монтерей, Калифорния, в 2002 году. У оседакса нет рта, функционального кишечника и трофосомы. Но самки osedax имеют васкуляризированную корневую систему, происходящую из их овисака , которая содержит гетеротрофное эндосимбиотическое бактериальное сообщество, в котором доминируют клады γ-протеобактерий. Для доступа к китовым костям они используют васкуляризированную корневую систему. Эндосимбионты помогают хозяину использовать питательные вещества из костей кита. [11]
гавайского кальмара и Vibrio fischeri Симбиоз
[ редактировать ]Сколопы гавайского сепиолидного кальмара Euprymna и бактерия Vibrio fischeri также демонстрируют симбиоз. В этом симбиозе симбионт не только служит хозяину для защиты, но и формирует морфологию хозяина. Биолюминесцентный V. fischeri можно обнаружить в эпителиальных криптах светового органа хозяина. Симбиоз начинается, как только только что вылупившийся кальмар находит и размещает бактерии V. fischeri .
Процесс симбиоза начинается при контакте пептидогликана , выделяемого бактериями морской воды, с клетками мерцательного эпителия светового органа. Он стимулирует выработку слизи в клетках. Слизь захватывает бактериальные клетки. Антимикробные пептиды, оксид азота и сиалированные муцины в слизи затем избирательно позволяют только V. fischeri , кодирующему ген rscS, прикрепляться и побеждать грамположительные и другие грамотрицательные бактерии. Затем симбиотические бактерии направляются к органу света посредством хемотаксиса. После успешной колонизации симбионты вызывают потерю слизи и мест с реснитками, чтобы предотвратить дальнейшее прикрепление бактериальных клеток посредством передачи сигналов MAMP (микробно-ассоциированный молекулярный паттерн). Кроме того, они вызывают изменения в экспрессии белков в симбиотических тканях хозяина и модифицируют как физиологию, так и морфологию органов света. После того, как бактериальные клетки делятся и увеличиваются в популяции, они начинают экспрессировать фермент люциферазу в результате ощущения кворума. Ферменты люциферазы производят биолюминесценцию. [12] Тогда кальмары могут излучать свечение органа света. Поскольку сколопы Euprymna появляются только в ночное время, это помогает им избежать нападения хищников. Биолюминесценция позволяет им маскироваться под светом луны и звезд, попадающим в океан, и избегать хищников. [13]
Помпейский червь
[ редактировать ]Alvinella pompejana, червь Помпеи, представляет собой многощетинковую червь, обитающую на дальних глубинах моря, обычно вблизи гидротермальных источников. Первоначально они были обнаружены французскими исследователями в начале 1980-х годов. [14] Они могут вырасти до 5 дюймов в длину и обычно описываются как имеющие бледно-серую окраску с красными жабрами, похожими на щупальца, торчащими из головы. Их хвосты, скорее всего, находятся при температуре до 176 градусов по Фаренгейту, в то время как их головы, торчащие из труб, в которых они живут, подвергаются воздействию только температуры до 72 градусов по Фаренгейту. [14] Его способность выживать в условиях гидротермальных источников заключается в его симбиотических отношениях с бактериями, обитающими на его спине. Образует защитное покрытие, напоминающее флис. Слизистая выделяется из желез на спине червя Помпеи, чтобы обеспечить бактерии питательными веществами. Дальнейшее изучение бактерий привело к открытию их хемолитотрофности. [14]
Гавайский морской слизень
[ редактировать ]Elysia rufescens питается Bryopsis sp., водорослью, которая защищает себя от хищников, используя пептидные токсины с жирными кислотами, называемые кахалалидами. [15] Бактериальный облигатный симбионт вырабатывает множество защитных молекул, в том числе кахалалиды, для защиты водоросли. Эти бактерии способны использовать субстраты, полученные от хозяина, для синтеза токсинов. [15] Гавайский морской слизень поедает водоросли, чтобы накопить кахалалид. Поглощение токсина, к которому слизень невосприимчив, позволяет ему стать токсичным и для хищников. Эта общая способность, происходящая от бактерий, обеспечивает защиту морских экосистем.
Морские губки
[ редактировать ]
Помимо симбиотических отношений один к одному, хозяин может вступить в симбиоз с микробными консорциумами. В случае с губками (тип Porifera) они способны содержать множество разнообразных микробных сообществ, которые также могут быть очень специфичными. Микробные сообщества, вступающие в симбиотические отношения с губкой, могут фактически составлять до 35% биомассы ее хозяина. [17] Термин, обозначающий эти особые симбиотические отношения, при которых микробный консорциум спаривается с хозяином, называется холобиотическими отношениями. Губка, а также связанное с ней микробное сообщество будут производить широкий спектр вторичных метаболитов, которые помогают защитить ее от хищников с помощью таких механизмов, как химическая защита. [18] Некоторые из этих взаимоотношений включают эндосимбионтов внутри клеток бактериоцитов, а также цианобактерий или микроводорослей, находящихся под слоем клеток пинакодермы, где они способны получать наибольшее количество света, используемого для фототрофии. Они могут содержать около 52 различных типов микробов и типов-кандидатов, включая Alphaproteobacteria, Actinobacteria, Chloroflexi, Nitrospirae, Cyanobacteria, таксоны Gamma- и тип-кандидат Poribacteria и Thaumarchaea . [18]
Эндозойкомонас
[ редактировать ]Впервые этот вид бактерий был описан в 2007 году. [19] Он способен формировать симбиотические отношения с широким кругом хозяев морской среды, такими как книдарии, порифераны, моллюски, кольчатые черви, оболочники и рыбы. Они распространены в различных морских зонах от экстремальных глубин до теплых фотозон. Считается, что эндозойкомонас получает питательные вещества в результате переработки азота/углерода, метана/серы и синтезирует аминокислоты и различные другие молекулы, необходимые для жизни. [19] Также было обнаружено, что он имеет корреляцию с фотосимбионтами, которые обеспечивают бактерии углеродом и серой из диметилсульфопропионата (ДМСП). Предполагается также, что они помогают регулировать бактериальную колонизацию хозяина, используя биоактивные вторичные метаболиты или даже пробиотические механизмы, такие как ограничение патогенных бактерий посредством конкурентного исключения. При удалении Endozoicomonas от хозяина часто появляются признаки поражения кораллов и болезней. [19]
Хемосинтетические симбиозы в океане
[ редактировать ]Морская среда состоит из большого количества хемосинтетических симбиозов в разных регионах океана: мелководных прибрежных отложений, отложений континентальных склонов, китовых и лесных водопадов, холодных просачиваний и глубоководных гидротермальных источников. известно, что организмы семи типов (Ciliophora, Porifera, Platyhelminthes, Nematoda, Mollusca, Annelida и Arthropoda) обладают хемосинтетическим До сих пор симбиозом. Некоторые из них включают нематод, трубчатых червей, моллюсков, губок, креветок гидротермальных источников, моллюсков-червей, мидий и так далее. Симбионты могут быть эктосимбионтами или эндосимбионтами . К эктосимбионтам относятся: симбионты многощетинкового червя Alvinella, встречающиеся на их дорсальной поверхности, и симбионты, встречающиеся на ротовом аппарате и жаберной камере вентиляционной креветки Rimicaris. К эндосимбионтам относятся симбионты брюхоногих улиток, обитающие в их жаберных тканях. У сибоглинидных трубчатых червей групп Monilifera, Frenulata и Vestimentifera симбионты можно обнаружить во внутреннем органе, называемом трофосомой . [20]
Большинство животных глубоководных гидротермальных источников существуют в симбиотических отношениях с хемосинтезирующими бактериями. Установлено, что эти хемосинтезирующие бактерии являются окислителями метана или серы. [21]
Микробная биотехнология
[ редактировать ]Морские беспозвоночные являются носителями широкого спектра биологически активных метаболитов, которые обладают огромным потенциалом в качестве лекарств и исследовательских инструментов. [22] Во многих случаях микробы помогают или несут ответственность за производство натуральных продуктов из морских беспозвоночных. [22] Определенные морские микробы могут дать представление о механизмах биосинтеза натуральных продуктов, что, в свою очередь, может решить текущие ограничения на разработку морских лекарств. [5]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фауст К. и Раес Дж (2012) «Микробные взаимодействия: от сетей к моделям». Nat Rev Microbiol , 10 : 538–550. дои : 10.1038/nrmicro2832 .
- ^ Крабберёд А.К., Бьорбекмо М.Ф., Шалчиан-Табризи К. и Логарес Р. (2017) «Изучение океанического микроэукариотического интерактома с помощью подходов метаомики». Водная микробная экология , 79 (1): 1–12. два : 10.3354/ame01811 .
Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 . - ^ Jump up to: а б Кавано CM (февраль 1994 г.). «Микробный симбиоз: закономерности разнообразия морской среды» . Американский зоолог . 34 (1): 79–89. дои : 10.1093/icb/34.1.79 . JSTOR 3883820 .
- ^ Иган С., Гардинер М. (2016). «Микробный дисбиоз: переосмысление болезней в морских экосистемах» . Границы микробиологии . 7 : 991. дои : 10.3389/fmicb.2016.00991 . ПМЦ 4914501 . ПМИД 27446031 .
- ^ Jump up to: а б Ли Зи (апрель 2009 г.). «Достижения в области морских микробных симбионтов в Китайском море и связанных с ними фармацевтических метаболитов» . Морские наркотики . 7 (2): 113–29. дои : 10.3390/md7020113 . ПМК 2707038 . ПМИД 19597576 .
- ^ Jump up to: а б с Армстронг Э., Ян Л., Бойд К.Г., Райт ПК, Берджесс Дж.Г. (октябрь 2001 г.). «Симбиотическая роль морских микробов на живых поверхностях». Гидробиология . 461 (1–3): 37–40. дои : 10.1023/А:1012756913566 . S2CID 33165122 .
- ^ Jump up to: а б с д Приложение А (январь 2020 г.). «Роль симбиозов в адаптации и стрессовых реакциях морских организмов» . Ежегодный обзор морской науки . 12 (1): 291–314. Бибкод : 2020ARMS...12..291A . doi : 10.1146/annurev-marine-010419-010641 . ПМИД 31283425 .
- ^ Иган С., Фукацу Т. и Франсино, член парламента, 2020. Возможности и проблемы исследования микробного симбиоза в эпоху микробиома. Границы микробиологии, 11. два : 10.3389/fmicb.2020.01150 . Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .
- ^ Фукуи С (май 2014 г.). «Эволюция симбиоза с распределением ресурсов от плодовитости к выживанию» . Die Naturwissenschaften . 101 (5): 437–46. Бибкод : 2014NW....101..437F . дои : 10.1007/s00114-014-1175-1 . ПМК 4012156 . ПМИД 24744057 .
- ^ Jump up to: а б Бейкер А. (ноябрь 2003 г.). «Гибкость и специфичность кораллово-водорослевого симбиоза: разнообразие, экология и биогеография симбиодиниума». Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики . 34 : 661–689. doi : 10.1146/annurev.ecolsys.34.011802.132417 . JSTOR 30033790 .
- ^ Гоффреди С.К., Орфан В.Дж., Роуз Г.В., Янке Л., Эмбай Т., Терк К. и др. (сентябрь 2005 г.). «Эволюционная инновация: морской симбиоз, поедающий кости». Экологическая микробиология . 7 (9): 1369–78. дои : 10.1111/j.1462-2920.2005.00824.x . ПМИД 16104860 .
- ^ Шварцман Дж. А., Руби Э. Г. (январь 2016 г.). «Сохраняющийся химический диалог мутуализма: уроки кальмара и вибриона» . Микробы и инфекции . 18 (1): 1–10. дои : 10.1016/j.micinf.2015.08.016 . ПМЦ 4715918 . ПМИД 26384815 .
- ^ Нихолм С.В., Макфолл-Нгай MJ (август 2004 г.). «Веяние: установление симбиоза кальмара и вибриона». Обзоры природы. Микробиология . 2 (8): 632–42. дои : 10.1038/nrmicro957 . ПМИД 15263898 . S2CID 21583331 .
- ^ Jump up to: а б с «Помпейский червь» . Морской симбиоз . Проверено 29 апреля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Зан Дж., Ли З., Тианеро М.Д., Дэвис Дж., Хилл Р.Т., Дония М.С. (июнь 2019 г.). «Микробная фабрика защитных кахалалидов в трехстороннем морском симбиозе» . Наука . 364 (6445): eaaw6732. дои : 10.1126/science.aaw6732 . ПМИД 31196985 . S2CID 189818260 .
- ^ Пита Л., Рикс Л., Слэби Б.М., Франке А. и Хентшель У. (2018) «Губка-голобионт в меняющемся океане: от микробов к экосистемам». Микробиом , 6 (1):46. два : 10.1186/s40168-018-0428-1 . Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .
- ^ Иган С., Томас Т. (2015). «Редакционная статья: Микробный симбиоз морских сидячих хозяев - разнообразие и функции» . Границы микробиологии . 6 : 585. дои : 10.3389/fmicb.2015.00585 . ПМК 4468920 . ПМИД 26136729 .
- ^ Jump up to: а б Вебстер Н.С., Томас Т. (апрель 2016 г.). «Губка гологеном» . мБио . 7 (2): e00135-16. дои : 10.1128/mBio.00135-16 . ПМК 4850255 . ПМИД 27103626 .
- ^ Jump up to: а б с Нив М.Дж., Апприлл А., Феррье-Пажес С., Вулстра Ч.Р. (октябрь 2016 г.). «Разнообразие и функции распространенных симбиотических морских бактерий рода Endozoicomonas» . Прикладная микробиология и биотехнология . 100 (19): 8315–24. дои : 10.1007/s00253-016-7777-0 . ПМК 5018254 . ПМИД 27557714 .
- ^ Дюбилье Н., Бергин С., Лотт С. (октябрь 2008 г.). «Симбиотическое разнообразие морских животных: искусство использования хемосинтеза». Обзоры природы. Микробиология . 6 (10): 725–40. дои : 10.1038/nrmicro1992 . ПМИД 18794911 . S2CID 3622420 .
- ^ Петерсен Дж.М., Зелински Ф.У., Папе Т., Зейферт Р., Морару С., Аманн Р. и др. (август 2011 г.). «Водород является источником энергии для симбиозов гидротермальных источников». Природа . 476 (7359): 176–80. Бибкод : 2011Natur.476..176P . дои : 10.1038/nature10325 . ПМИД 21833083 . S2CID 25578 .
- ^ Jump up to: а б Хейгуд М.Г., Шмидт Э.В., Дэвидсон С.К., Фолкнер DJ (август 1999 г.). «Микробные симбионты морских беспозвоночных: возможности микробной биотехнологии» (PDF) . Журнал молекулярной микробиологии и биотехнологии . 1 (1): 33–43. ПМИД 10941782 .
