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Nov 05, 2023

해양 원핵 플랑크톤의 호흡률과 풍부함의 분리

자연 612권, 페이지

Nature 612권, 764~770페이지(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

해양-대기 CO2 교환은 해양 미생물의 광합성과 호흡 사이의 균형에 크게 좌우됩니다. 해양 플랑크톤 박테리아와 고세균(원핵플랑크톤)1,2,3 사이의 광범위한 분류학적 및 대사적 다양성에도 불구하고 이들의 호흡은 일반적으로 대량으로 측정되며 글로벌 생지화학적 모델4에서 '블랙박스'로 처리됩니다. 이는 지구 탄소 순환에 대한 기계적 이해를 제한합니다. 여기에서는 개별 미생물 세포의 통합 표현형 분석 및 게놈 서열 분석 기술을 사용하여 원핵플랑크톤 속 사이에서 세포별 호흡률이 1,000배 이상 다르다는 것을 보여줍니다. 대부분의 호흡은 원핵플랑크톤(Roseobacter 클러스터 포함)의 소수 구성원에 의해 수행되는 것으로 밝혀졌지만, 가장 널리 퍼진 계통의 세포(Pelagibacter 및 SAR86 포함)는 호흡률이 매우 낮았습니다. 계통 간의 풍부함과 호흡률의 분리, Pelagibacter 및 SAR86 세포의 proteorhodopsin 전사체 수 증가 및 밤에 SAR86의 호흡 증가는 proteorhodopsin 기반 광 영양 3,5,6,7이 아마도 원핵 플랑크톤에 중요한 에너지 원을 구성하고 있음을 나타냅니다. 성장 효율성을 높인다. 이러한 발견은 호흡에 대한 원핵플랑크톤의 의존성과 에너지 수요 및 성장을 위해 식물성 플랑크톤 유래 유기탄소를 CO2로 재석회화하는 것이 일반적으로 가정하는 것보다 낮을 수 있으며 계통에 따라 가변적일 수 있음을 시사합니다.

원핵플랑크톤 호흡에 대한 블랙박스 접근법은 원핵플랑크톤의 상당한 계통발생적 및 게놈 다양성1,2,3과 계통 간 성장 및 유기 기질 흡수율의 엄청난 차이에 대한 압도적인 증거와 극명한 대조를 제공합니다. -FISH)8, FISH-나노규모 2차 이온 질량 분석법(nanoSIMS)9 및 안정 동위원소 탐사(SIP)10. 프로테오로돕신 기반 광영양증3,5,6과 같은 게놈 예측 대사 과정 중 일부는 원핵플랑크톤 호흡 및 대기로의 CO2 방출에 직접적인 영향을 미칠 수 있지만 이들의 전반적인 중요성은 여전히 ​​제한적입니다. 여기에서 우리는 호흡률이 원핵플랑크톤 속에서 3배 이상 차이가 나는 것을 보여주기 위해 통합 현장 산소 호흡률 측정 및 개별 미생물 세포의 게놈 시퀀싱을 위한 방법을 개발했습니다. 우리의 결과는 널리 퍼진 원핵플랑크톤 계통의 호흡에 대한 보완적인 에너지원으로서 프로테오르로돕신 광영양의 중요성과 그것이 지구 탄소 순환에 미치는 잠재적 영향에 대한 증거를 제공합니다. 이러한 발견은 단일 세포 해상도에서 미생물 게놈과 현상을 직접 연결하는 타당성을 입증하고 해양 원핵 플랑크톤 블랙 박스를 생태계 모델에서 기능적으로 더 의미 있는 구성 요소로 분해하는 것의 중요성을 강조합니다.

RedoxSensor Green(RSG)은 이전에 산화환원효소 활성에 특이적인 세포 생존 가능성 프로브로서 다양한 미생물에 대한 실험실 및 환경 연구에서 사용되었습니다. RSG를 정량적으로 사용하는 타당성을 평가하기 위해 계통 발생적으로 다양한 수생 박테리아의 순수 배양물에서 대량 산소 소비와 단일 세포 RSG 형광 간의 관계를 분석했습니다(방법론적 작업 흐름은 확장 데이터 그림 1 및 보충 표에 설명되어 있음). 1). 고정상 세포는 모든 배양에서 RSG 형광 강도가 다양했으며(확장 데이터 그림 2a), 이는 이전 연구12,13와 일치하는 생리학적 이질성을 나타냈지만 음성 대조군(확장 데이터 그림 2b)과는 구별되었습니다. 평균 세포당 형광은 분류학적 편향의 증거 없이 분석된 범위(시간당 세포당 약 1~1,000 amol O2, R2 = 0.86) 내에서 산소 소비의 평균 세포당 속도와 상관관계가 있었습니다(그림 1a). 이 배양 보정을 통해 RSG 형광 강도를 개별 세포의 호흡률에 대한 프록시로 사용할 수 있습니다.