معلومة

6.1.3: الحد من نمو الميكروبات عن طريق الإمداد بالمغذيات - علم الأحياء

6.1.3: الحد من نمو الميكروبات عن طريق الإمداد بالمغذيات - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

  • وصف دور العناصر الغذائية في نمو الميكروبات وثقافتها في المختبر

المغذيات ضرورية لنمو الميكروبات وتلعب دورًا حيويًا في الزراعة المناسبة للكائنات الحية الدقيقة في المختبر والنمو السليم في بيئاتها الطبيعية. تشمل أنواع العناصر الغذائية المطلوبة تلك التي تزود الطاقة والكربون والمواد الإضافية الضرورية. العناصر الغذائية المستخدمة في تكاثر النمو خاصة بالكائن الحي ، بناءً على عملياتها الخلوية والتمثيل الغذائي.

تشمل العناصر الغذائية الشائعة التي توجد مطلوبة في جميع الكائنات الحية الكربون والنيتروجين والكبريت والفوسفور والبوتاسيوم والمغنيسيوم والكالسيوم والأكسجين والحديد والعناصر النزرة الإضافية. العناصر الغذائية الأساسية هي العناصر الغذائية التي يحتاجها الكائن الحي تمامًا. فئتان من المغذيات الأساسية هما المغذيات الكلية والصغرى. المغذيات الكبيرة ضرورية بكميات كبيرة ؛ تميل الحاجة إلى المغذيات الدقيقة بكميات أقل وغالبًا ما تكون عناصر نزرة.

المغذيات كعوامل محددة

فيما يتعلق بالمغذيات المطلوبة للنمو السليم ، غالبًا ما تكون هناك عوامل محددة متضمنة. يؤثر العامل المحدد أو المحدد على المغذيات ويتحكم في النمو. إن توافر مغذيات محددة يفرض نمو الكائن الحي من خلال التحكم في تنشيط المسارات الخلوية والأيضية الضرورية للتقدم والحد منها. عندما تكون جميع العناصر الغذائية والبارامترات مثالية وثابتة خلال مرحلة النمو ، يُنظر إلى ذلك على أنه حالة ثابتة: جميع المتطلبات موجودة وتزدهر الكائنات الحية الدقيقة. في الظروف التي يوجد فيها أقل من المعلمات المثالية ، مثل عدم وجود متطلبات محددة ، تتأثر عملية النمو.

يعتبر هذا المفهوم في علم الأحياء الدقيقة الصناعي أمرًا بالغ الأهمية ، حيث يتم تحديد نمو الميكروبات وإنتاجها من خلال النمو الخلوي السليم والتمثيل الغذائي. إنتاج المكونات الضرورية إذا كان غالبًا ما يتم التحكم فيه من خلال وجود وتركيز مغذٍ محدد. ومن ثم ، فمن الأهمية بمكان تحديد العناصر الغذائية المطلوبة والتأكد من توفيرها في زراعة الكائنات الحية الدقيقة.

النقاط الرئيسية

  • تشمل العناصر الغذائية الشائعة التي توجد مطلوبة في جميع الكائنات الحية الكربون والنيتروجين والكبريت والفوسفور والبوتاسيوم والمغنيسيوم والكالسيوم والأكسجين والحديد والعناصر النزرة الإضافية.
  • تعتبر كل من المغذيات الكبيرة والصغرى ضرورية في النمو السليم للكائن الحي لأنها تلعب أدوارًا مهمة في العمليات الخلوية والتمثيل الغذائي.
  • تعتبر العناصر الغذائية المقيدة ضرورية للنمو ويمكن أن تتحكم في النمو بناءً على تركيزها ووجودها أو غيابها.

الحد من النيتروجين من التحلل الجرثومي في الأراضي العشبية تحت ارتفاع ثاني أكسيد الكربون2

يمكن أن يؤدي تراكم الكربون في الغلاف الحيوي الأرضي جزئيًا إلى تعويض تأثيرات ثاني أكسيد الكربون البشري المنشأ2 انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي2 (المراجع 1 ، 2). التأثير الصافي لزيادة ثاني أكسيد الكربون2 على توازن الكربون في النظم البيئية الأرضية غير واضح ، مع ذلك ، بسبب ارتفاع ثاني أكسيد الكربون2 غالبًا ما يكون للتأثيرات على مدخلات الكربون في التربة واستخدام النباتات للمياه والمغذيات تأثيرات متناقضة على العمليات الميكروبية 3،4،5. نعرض هنا قمع التحلل الميكروبي في أرض عشبية سنوية بعد التعرض المستمر لزيادة ثاني أكسيد الكربون2 لمدة خمسة مواسم نمو. زيادة ثاني أكسيد الكربون2 تعزيز امتصاص النيتروجين النباتي ، وكربون الكتلة الحيوية الميكروبية ، والكربون المتاح للميكروبات. لكنه قلل من النيتروجين المتاح في التربة ، وأدى إلى تفاقم قيود النيتروجين على الميكروبات ، وقلل التنفس الميكروبي لكل وحدة كتلة حيوية. تشير هذه النتائج إلى زيادة ثاني أكسيد الكربون2 يمكن أن يغير التفاعل بين النباتات والميكروبات لصالح استخدام النبات للنيتروجين ، وبالتالي إبطاء التحلل الميكروبي وزيادة تراكم الكربون في النظام البيئي.


قياس العناصر المتكافئة الأنزيمية البيئية لاكتساب المغذيات الميكروبية في التربة الاستوائية

تكشف الأنشطة النسبية لإنزيمات التربة المشاركة في تمعدن الكربون العضوي (C) والنيتروجين (N) والفوسفور (P) عن قيود متكافئة وحيوية على نمو الكتلة الحيوية الميكروبية. على الرغم من أن الغابات الاستوائية والأراضي العشبية هي مكون رئيسي في دورة الكربون العالمية ، إلا أن تأثيرات توافر مغذيات التربة على النشاط الميكروبي وديناميكيات الكربون في هذه النظم الإيكولوجية غير مفهومة جيدًا. لاستكشاف قيود المغذيات الميكروبية المحتملة فيما يتعلق بتخصيص الإنزيم في النظم البيئية ذات خطوط العرض المنخفضة ، أجرينا تحليلًا تلويًا للفوسفاتيز الحمضي / القلوي (AP) ، β-1،4-glucosidase (BG) ، و β-1،4-ن- أنشطة أسيتيل جلوكوزامينيداز (NAG) في التربة الاستوائية. وجدنا أن نسب BG: AP و NAG: AP في التربة الاستوائية أقل بكثير من تلك الموجودة في النظم البيئية المعتدلة بشكل عام. ارتبطت أدنى نسب BG: AP و NAG: AP بالتربة القديمة أو الحمضية ، بما يتوافق مع زيادة الطلب على الفوسفور البيولوجي بالنسبة لتوافر الفوسفور. بالإضافة إلى ذلك ، تشير الارتباطات بين أنشطة الإنزيم ومتوسط ​​درجة الحرارة السنوية وهطول الأمطار إلى بعض التنظيم المناخي لتخصيص الإنزيمات الميكروبية في التربة الاستوائية. استخدمنا نتائج تحليلنا بالاقتران مع البيانات المنشورة سابقًا عن التربة والكتلة الحيوية C: N: P المتكافئ لتحديد معلمات نموذج التوازن البيوجيوكيميائي الذي يربط كفاءة نمو الميكروبات بنشاط الإنزيم خارج الخلية. يتنبأ النموذج بكفاءات نمو جرثومية منخفضة في التربة المحدودة P ، مما يشير إلى أن توافر الفوسفور قد يؤثر على دورة الكربون في التربة شديدة التجوية التي تكمن وراء العديد من النظم البيئية الاستوائية. لذلك ، نقترح تضمين توفر P في النماذج التي تحاكي تخصيص الإنزيم الميكروبي ، ونمو الكتلة الحيوية ، وتمعدن C.

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


الطرق والمواد

مواقع الدراسة

تم إجراء التجربة في ثلاثة مواقع تقع في ممر الأنديز البيروفي - الأمازون: موقع واحد في الغابة السحابية الجبلية الاستوائية (WAY) وموقعان في مواقع الغابات الاستوائية المنخفضة على تربة متباينة (TAM-05 و TAM-06 الجدول 1). تقع المواقع على ارتفاع 3025 و 210 و 194 مترًا فوق مستوى سطح البحر وتقع على طول منحدر ارتفاع على الجانب الشرقي من جبال الأنديز في بيرو مع ما يقرب من 230 كم تفصل بين المواقع العليا والسفلى. يقع Site WAY في Estación Biologica de Wayqecha على المنحدر الشرقي لجبال الأنديز في منطقة كوسكو. تقع المواقع TAM-05 و TAM-06 في محمية تامبوباتا في منطقة مادري دي ديوس. متوسط ​​درجة الحرارة السنوية هو 11.1 و 26.4 و 26.4 درجة مئوية ، ومتوسط ​​هطول الأمطار السنوي هو 1706 و 3199 و 2730 ملم في العام -1 ، على التوالي. على الرغم من أن متوسط ​​هطول الأمطار السنوي أقل بالنسبة لـ WAY ، إلا أن التربة نادرًا ما تكون محدودة الرطوبة على مدار الدورة الموسمية ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى هطول الأمطار الغامضة ومحدودية التبخر النتح (van de Weg et al. 2009 ، 2014 Zimmermann et al. 2010). تقع جميع المواقع تحت غابة مظلة مغلقة مع هيكل حامل متجانس نسبيًا وتضاريس وأقل علامات تدل على تدخل بشري. عائلات الأشجار المهيمنة في الموقع الجبلي هي كلوسياسيا و كونونيك وفي المواقع المنخفضة موراسيا و البقولية. تقع المواقع على أحجار الطين الرسوبية الفوقية القديمة (الطريق) (

450 مللي أمبير) ، مصطبة طميية من العصر الجليدي (TAM-05 & lt 100 Ka) ومصطبة طمي هولوسين (TAM-06 & lt 10 Ka) ، وقد تم تصنيف التربة على أنها Umbrisol (Umbrepts) و Haplic Cambisol (Inceptisol) و Haplic Alisol (Ultisol) (وفقًا لمنظمة الأغذية والزراعة ، مع تصنيف التربة التابع لوزارة الزراعة الأمريكية بين قوسين Quesada et al. 2010). يكون المظهر الجانبي للتربة إلى حجر الأساس في الارتفاعات العالية ضحلًا نسبيًا ولكن به طبقة عضوية أعمق من الارتفاعات المنخفضة (على سبيل المثال ، طبقة عضوية 22.8 سم في WAY مقارنة بـ 0.7 سم في TAM-06). تحتوي التربة في WAY على تركيزات C و N و P أعلى مما كانت عليه في TAM-05 و TAM-06. ينعكس الاختلاف في العمر ودرجة التجوية بين موقعي الأراضي المنخفضة في انخفاض محتوى القاعدة الإجمالي وانخفاض إجمالي P لـ TAM-05 مقارنة بـ TAM-06. (273 مقابل 978 مليمول ج كجم -1 و 256 مقابل 529 ملجم P كجم -1) (مالهي وآخرون 2014). مزيد من الأوصاف لخصائص التربة (Quesada et al. 2010 Whitaker et al. 2014 Zimmermann et al. 2009) ، المناخ (Rapp and Silman 2012) والإنتاجية فوق الأرض وتكوين الأزهار (Asner et al. 2013 Feeley et al. 2011 Girardin et al. . 2010) لهذه المواقع تم الإبلاغ عنها في مكان آخر.

تصميم تجريبي

أجرينا تجربة تحلل سليلوز عاملي جزئيًا وتجربة تسميد في كل موقع ، مع العلاجات التالية: السليلوز ، السليلوز و N (السليلوز + N) ، السليلوز و P (السليلوز + P) ، السليلوز و K (السليلوز + K) ، السليلوز و Na (السليلوز + Na) ، السليلوز والمغذيات المركبة (السليلوز + Tot) ، العناصر الغذائية المركبة (Tot) ولا توجد عناصر تحكم إضافية (NoAd) ، لكل منها أربعة مكررات. تمت إضافة السليلوز باستخدام أوراق ترشيح السليلوز (الصف 1 GE Whatman ، المملكة المتحدة) ، مقطوعًا إلى 2 سم 2 قطعة ووزنه (24 جم وزن جاف 10 جم C) في أكياس شبكية من النايلون بقياس 15 سم 2 (شبكة قطرها 1 مم). تمت إضافة المغذيات في محاليل 10 مل من أجل N (NH4لا3) ، ف (نا2HPO4) ، K (KCl) ، Na (NaCl) أو معًا. كانت الإضافات اليومية حوالي 0.2 جم عنصر يوم -1 ، للحفاظ على نسب العناصر الميكروبية تقريبًا ضمن النطاقات المنشورة (C / N / P / K / Na من 60: 7: 1: 1: 1 C في السليلوز المضافة و N ، P ، K ، Na في محاليل المغذيات المضافة) (Cleveland and Liptzin 2007). تمت إضافة العناصر بشكل زائد قليلاً ، بافتراض الخسائر بسبب النض والامتصاص ، وافتراض تكافؤ نسب P و Na و K. بالنسبة إلى السليلوز فقط وعناصر التحكم (NoAd) ، أضفنا 10 مل من الماء بدلاً من محلول المعالجة.

تبلغ مساحة قطع الأراضي في كل موقع من المواقع الثلاثة حوالي 260 مترًا مربعًا وتتألف من شبكة مكونة من 32 طوقًا للتربة (10 سم بعمق 10 سم وقطر 20 سم من الأنابيب البلاستيكية يتم إدخالها إلى عمق 3 سم من التربة) ، يفصل كل منها حوالي 3 أمتار. كانت أطواق التربة الفردية متباعدة بشكل كافٍ لضمان عدم وجود تفاعل (مثل جريان المغذيات) ، وبالتالي كانت تكرارات تحليلية مستقلة (ن = 4 لكل موقع). كانت قطع الأراضي تقع بجوار قطع عينات دائمة طويلة المدى بمساحة 1 هكتار (نوتنغهام وآخرون 2015 أ). نظرًا لأن الخصائص البيولوجية والفيزيائية الكيميائية للتربة داخل قطع الأراضي التي تبلغ مساحتها 1 هكتار لها تباين طفيف نسبيًا مقارنةً بقطع الأرض التي تبلغ مساحتها 1 هكتار (Whitaker et al. 2014) ، فقد مثلت قطع الأراضي التجريبية بدقة التباين في خصائص التربة في كل موقع وقدمت مقارنات ذات مغزى بيئيًا بين المواقع. تم وضع الأطواق في التربة قبل أسبوعين على الأقل من التجربة. تم تقسيم المعالجات إلى طبقات على أساس ثاني أكسيد الكربون في التربة2 تم إجراء قياسات التدفق في اليوم الأول من التجربة ، وبدأت العلاجات في نهاية اليوم الأول. تم إجراء التقسيم الطبقي عن طريق تجميع 32 طوق تربة في 4 مجموعات (CO2 مستوى التدفق: "الأدنى" ، "المنخفض" ، "المرتفع" ، "الأعلى") ثم تخصيص العلاج بشكل عشوائي لطوق واحد لكل مجموعة. تم وضع أكياس السليلوز الشبكية بعناية عند ملامستها لسطح التربة داخل كل من أطواق التربة التي يبلغ قطرها 20 سم ، بعد إزالة المحصول القائم على أوراق الشجر. وهكذا ، كان السليلوز المضاف هو الركيزة C الوحيدة الموجودة داخل كل طوق تربة. تمت إضافة محاليل المغذيات أو الماء بالتساوي إلى كل أكياس شبكية في نهاية ثاني أكسيد الكربون في التربة2 قياسات التدفق لكل يوم ، وبالتالي الحفاظ على إمدادات المغذيات للمجتمعات الميكروبية طوال التجربة. كانت فترات التجربة على النحو التالي: 20 يومًا (WAY) ، 16 يومًا (TAM-05) و 11 يومًا (TAM-06). اختلف طول التجربة قليلاً لكل موقع ، جزئيًا عن قصد (أطول في الغابة السحابية بسبب معدلات التحلل البطيئة) وجزئيًا بسبب القيود اللوجستية والوصول إلى المواقع الميدانية. ومع ذلك ، فإن هذه الاختلافات لم تقيد اختبار فرضياتنا ولم تؤثر على استنتاجاتنا الرئيسية ، والتي تستند إلى الاختلافات النسبية في نمو الميكروبات ودوران C مع / بدون إضافات مغذية لكل موقع (وليس بناءً على الكميات المطلقة من C متحللة أو تتنفس). لم تؤثر هذه الاختلافات أيضًا على نتائج النمو الميكروبي لدينا: نظرًا لأننا استخدمنا ركيزة تحتوي على السليلوز فقط ، فإن نتائجنا لم تكن مرتبكة بسبب التغيرات المتتالية في المجتمعات الميكروبية التي يمكن أن تحدث أثناء تحلل ركائز أكثر تعقيدًا لتحلل اللجنين. تم جمع أكياس شبكية تحتوي على السليلوز لتحديد الكتلة الحيوية الميكروبية (انظر أدناه) والتحلل بعد المجموعة النهائية من ثاني أكسيد الكربون في التربة.2 قياسات التدفق لكل موقع. ومع ذلك ، فإن الطبيعة قصيرة المدى للتجربة أدت إلى انخفاض معدلات فقدان الكتلة (تتراوح بين 5 و 10٪) ، وعدم السماح بالتمييز بين العلاجات ، وبالتالي لم يتم الإبلاغ عن هذه البيانات. زيادة الكتلة الحيوية الميكروبية (PLFA و ergosterol) و CO2 تم استخدام التدفق بدلاً من ذلك كمؤشرات لديناميكيات الدورة C للتربة (C المتدهورة والمتنفس).

شركة التربة2 هروب رأس المال

شركة التربة2 تم تحديد التدفق باستخدام محلل غاز بالأشعة تحت الحمراء متصل بغرفة مسح قطرها 20 سم (LI-COR Biosciences ، المملكة المتحدة). شركة التربة2 تم قياس التدفق فوق الأكياس الشبكية. لم يتم تحريك الأكياس الشبكية أثناء التجربة ولم يتأثر نمو الميكروبات على السليلوز. لتحليلات الموقع وتأثيرات العلاج على ثاني أكسيد الكربون2 التدفق ، استخدمنا متوسط ​​معدل ثاني أكسيد الكربون2 تم تحديد التدفق خلال أول 11 يومًا بعد العلاج (بالجرام من ثاني أكسيد الكربون2-C m −2 day −1) ، مما يسمح بتقييم آثار العلاج بين المواقع ذات فترات القياس المتغيرة.

تحليل الأحماض الدهنية الفسفورية وتحليل الإرغوستيرول

خلال فترة التجربة ، تم استعمار السليلوز بواسطة الكائنات الحية الدقيقة المُحللة ، وتم اعتبار الزيادة في الكتلة الحيوية الميكروبية على السليلوز معادلة للنمو الميكروبي التراكمي ، أي النمو الميكروبي أثناء التحلل المتكامل خلال فترة التجربة بأكملها. استخدمنا الأحماض الدهنية الفسفورية (PLFAs) لتحديد الكتلة الحيوية الميكروبية ، والتي تعطي أيضًا مؤشرًا نسبيًا للكتلة الحيوية من الفطريات إلى البكتيريا. يتبع استخراج وتحديد PLFAs Frostegård و Båth (1993) ، باستخدام 3 جم من السليلوز المجمد (تم إذابته بسرعة قبل وزنه) من كل مكرر. تمت إضافة معيار داخلي (methyl nonadecanoate 19: 0) قبل خطوة المثيلة. لكل عينة ، تم تقدير الوفرة النسبية للأحماض الدهنية الفردية كنسبة من مجموع جميع PLFAs (نسبة المول) ، المستخدمة لاحقًا في تحليل المكون الرئيسي (PCA). تم توحيد قيم النسبة المئوية للمول وفقًا لتباين الوحدة قبل إخضاع البيانات لـ PCA. استخدمنا 21 PLFAs الأكثر شيوعًا في PCA (الجدول S1). تم استخدام مجموع 21 PLFAs بالنسبة للمعيار الداخلي أيضًا كمقياس نسبي للكتلة الحيوية الكلية (totPLFA). PLFA a15: 0 ، الموجود على نطاق واسع في البكتيريا من الجنس السليلوموناس (Lednická وآخرون. 2000 Minnikin وآخرون 1979) ، تم استخدامه كمؤشر للبكتيريا المتحللة للسليلوز. تم استخدام PLFA 18: 2ω6،9 كمؤشر للكتلة الحيوية الفطرية ، مع 18: 1ω9 كدليل إضافي على أصل فطري ، على الرغم من أنه ليس مؤشرًا مثاليًا للفطريات (Frostegård et al. 2011). تم قياس Ergosterol كمؤشر بديل للكتلة الحيوية الفطرية ، بعد Rousk and Båth (2007). بسبب نقص المواد التجريبية ، تم إجراء هذا التحليل على ثلاث مكررات فقط لكل معاملة. تمت زيادة قوتنا الإحصائية من خلال مقارنة مؤشرين مستقلين لنمو الفطريات (PLFA و ergosterol).

تحاليل احصائية

لاختبار الموقع الكلي وتأثيرات العلاج والتفاعل ، استخدمنا ANOVA ثنائي الاتجاه ، مع "الموقع" و "العلاج" كعوامل والمعلمة المقاسة كمتغير استجابة. لاختبار تأثيرات العلاج لكل موقع ، استخدمنا ANOVA أحادي الاتجاه ، مع العلاج كعامل والمعلمة المقاسة كمتغير استجابة ، متبوعًا باختبارات Dunnett اللاحقة بين أزواج التحكم والمعالجة. للتمييز بشكل أكبر بين تأثيرات إضافة المغذيات على التنفس ، أجرينا اختبارات لاحقة حيث كانت "عناصر التحكم" عبارة عن عناصر تحكم في التربة فقط بدون إضافة (NoAd) (أي تأثير إضافة السليلوز والمغذيات مقارنة بعدم الإضافة) وضوابط السليلوز فقط (السليلوز) (أي تأثير إضافة السليلوز والمغذيات مقارنة بإضافة السليلوز). تم تحديد فروق ذات دلالة إحصائية في ص ≤ 0.05. تم إجراء جميع التحليلات الإحصائية في R (الإصدار 3.1.1).


نتائج

يفرض التبادلية الإلزامية التعايش المستقر في الزراعة عن طريق النمو المقترن

تشبه المزروعات البكتيرية المخمرة والأرجوانية التغذية الضوئية شبكات الطعام اللاهوائية الطبيعية حيث تعمل منتجات تخمير الأحماض العضوية كمصدر كربوني للصورة الضوئية (الشكل 1 أ). على مدى الثلاثين عامًا الماضية ، عززت ظروف النمو التقليدية لهذه المزارع من التفاعلات التي تعتمد فيها الصور الضوئية على البكتيريا المخمرة ولكنها لم تقدم أي فائدة متبادلة (الشكل 1 أ أودوم وول ، 1983 فانغ وآخرون ، 2006 دينغ وآخرون ، 2009 صن وآخرون. ، 2010). وبالتالي ، عانت هذه الأنظمة بشكل عام من عدم الاستقرار وتغير إنتاجية المنتجات (Fang et al. ، 2006 Ding et al. ، 2009 Sun et al. ، 2010).

لقد تغلبنا على مشكلة الاستقرار الطويلة الأمد هذه من خلال استغلال سمتين من سمات التمثيل الغذائي للبكتيريا الأرجواني غير الكبريتية الضوئية ، R. Palustris. أولا، R. Palustris يمكن أن تستهلك منتجات التخمير ولكن ليس الجلوكوز (Larimer et al. ، 2004). هذا يعني ذاك R. Palustris لا يمكن أن تنافس بكتريا قولونية للجلوكوز في الزراعة ولكنها تعتمد بدلاً من ذلك على إفرازها بكتريا قولونية منتجات التخمير. ثانيا، R. Palustris هو ديازوتروف ، وبالتالي يمكن استخدام الإنزيم ، النيتروجيناز ، لتحويل N2 في الأمونيوم المتاح حيوياً (NH4 +) في عملية تعرف باسم N2 تثبيت. وجدنا أن متحولة NifA * تظهر نشاط نيتروجيناز التكويني (McKinlay and Harwood ، 2010) تفرز NH قابل للقياس4 + عند تحديد N.2 (الشكل التكميلي 2). هذه R. Palustris السلالة ، المشار إليها هنا باسم Nx ، لها طفرة NifA * للسماح لـ NH4 + إفراز و ΔhupS و Δrpa2750 طفرات لمنع H.2 امتصاص (ري وآخرون ، 2006) وتجميع الخلايا (فريتس وآخرون.، قيد التحضير) ، على التوالي. أضع ثقتي في R. Palustris, بكتريا قولونية لا يمكن إصلاح ن2. وهكذا ، قررنا أن NH4 + تفرز بواسطة R. Palustris يمكن أن تتغذى بكتريا قولونية وإنشاء تبادلية إجبارية (أي ، الشكل 1 ب). في الواقع ، لاحظنا نموًا قويًا عند الاقتران بكتريا قولونية مع R. Palustris Nx في وسط محدد (MDC) مكمل بالجلوكوز كمصدر وحيد للكربون ومع N2 الغاز كمصدر وحيد للنيتروجين (N2-الزراعة الموردة). في المقابل ، كان النمو ضئيلا عندما بكتريا قولونية تم إقرانه مع الوالد R. Palustris سلالة لا تشترك في NH4 + (الشكل 1 ج). توضح نتائجنا أنه في ظل ظروف المغذيات هذه ، فإن التغذية المتقاطعة ثنائية الاتجاه ضرورية لنمو الزراعة التعاونية R. Palustris يعتمد على بكتريا قولونية للكربون الأساسي في شكل منتجات التخمير ، بينما بكتريا قولونية يعتمد على R. Palustris للنيتروجين الأساسي في شكل NH4 + (الشكل 1 ب).

تم استجواب التعايش المستقر عن طريق تغيير نسب الأنواع البادئة وعن طريق النقل المتسلسل للزراعة. ن2تقاربت الزراعة المزروعة لتكوين الأنواع الشائعة (

10% بكتريا قولونية) من مجموعة من نسب الأنواع البادئة تغطي 12 مرتبة من حيث الحجم (الشكل 1 د). بمجرد تحقيق هذه النسبة ، تم الحفاظ عليها طوال النمو الأسي وعلى مدى عمليات النقل المتعددة (⩾ 30 جيلًا تكميليًا الشكل 4). علاوة على ذلك ، تم البدء في زراعة الكاكاو بسهولة من مستعمرات مفردة نمت على أجار مليء بالمغذيات (الشكل التكميلي 4) ، مما يدل على أن التعاون الأيضي كان فوريًا ولا يتطلب تحضيرًا استقلابيًا أو تطورًا مشتركًا. وبالتالي ، في هذا النظام ، يؤدي الاعتماد المتبادل الأيضي إلى تقارب النسبة ويفرض التعايش المستقر عن طريق النمو المقترن.

كان التعايش المستقر مصحوبًا بإنتاجية منتجات التخمير القابلة للاستنساخ عبر عمليات النقل التسلسلي (الشكل التكميلي 4). منتجات التخمير القابلة للذوبان تفرز بواسطة بكتريا قولونية هي الإيثانول والفورمات واللاكتات والأسيتات والسكسينات (الشكل 2 أ). لم يكن هناك لاكتات أو أسيتات أو سكسينات يمكن اكتشافه في N.2المزروعات المزودة ، مما يشير إلى أن منتجات التخمير هذه قد استهلكت من قبل R. Palustris بينما لم يكن فورمات والإيثانول (الشكل 2 أ). في الواقع، R. Palustris تستهلك فقط اللاكتات والأسيتات والسكسينات عند تغذية المواد الطافية من التخمير بكتريا قولونية الزراعة الأحادية (الشكل التكميلي 5). هنا ، سوف نشير بشكل جماعي إلى اللاكتات والأسيتات والسكسينات كأحماض عضوية قابلة للاستهلاك. بالإضافة إلى المنتجات القابلة للذوبان ، بكتريا قولونية ينتج أيضًا H2 وشارك2. كما هو مذكور أعلاه ، R. Palustris Nx غير قادر وراثيا على H.2 استهلاك. كو2 التثبيت بواسطة R. Palustris من المحتمل إهمالها في الثقافات المشتركة حيث أن مستويات نص دورة كالفين منخفضة خلال N.2 التثبيت (McKinlay and Harwood ، 2010 2011). تأكيدًا على هذا التوقع ، فإن الثقافات التي تحتوي على R. Palustris Nx Calvin دورة متحولة ، غير قادرة على CO2 التثبيت ، تتصرف بشكل مشابه لما تحتويه الزراعة R. Palustris Nx (الشكل التكميلي 6).

اتجاهات النمو والاستقلاب في NH4 + -الزراعة المزروعة تشبه تلك الخاصة بـ بكتريا قولونية الزراعة الأحادية. ملامح التمثيل الغذائي (أ) ، معدلات نمو محددة (ب) ، كثافات الخلايا النهائية (ج) ودرجة الحموضة النهائية (د) من نيو هامبشاير4 + -المقدمة أو ن2المزروعات المزودة بالمقارنة مع NH4 + -المقدمة بكتريا قولونية الزراعة الأحادية. تم احتواء جميع زراعة النباتات R. Palustris نكس. البيانات المعروضة مجمعة من التجارب باستخدام الثقافات الملقحة باستخدام مستعمرات مفردة ، والزراعة الفرعية ، و / أو نسب الأنواع 1: 1 (الزراعة المشتركة فقط). Ec ، بكتريا قولونية روبية ، R. Palustris. أشرطة الخطأ ، sem ، ن ⩾ 3.

لاختبار أهمية الترابط الأيضي لاستقرار الزراعة ، بدأنا زراعة المحاصيل حيث زودنا خارجيًا إما بالأسيتات ، وهو مصدر كربوني لـ R. Palustris، أو NH4 + ، مصدر نيتروجين يمكن أن يستخدمه كلا النوعين (الشكل 1 أ). عندما يتم توفير الأسيتات خارجيًا ، يعكس معدل نمو الزراعة المزروعة معدل نمو المحاصيل المزروعة بالجلوكوز وحده ، حتى على عمليات النقل المتسلسلة (الشكل التكميلي 7). بالإضافة إلى ذلك ، في الزراعة المزروعة بالأسيتات بكتريا قولونية نمت إلى كثافة الخلايا النهائية مماثلة لتلك الموجودة في N.2- المزروعات المزروعة بالجلوكوز وحده (الشكل التكميلي 7). ضمن نظام الزراعة لدينا ، تعمل الأحماض العضوية كمصدر أساسي للكربون R. Palustris النمو وكذلك مصدر الإلكترون لـ N2 تثبيت. ومن ثم ، فإن هذه البيانات تدل على أن النمو و NH4 + التغذية المتقاطعة بواسطة R. Palustris خمارة2لا تقتصر الزراعة المزروعة على توافر الكربون أو الإلكترون.

على عكس الأسيتات ، فإن العرض الخارجي لـ NH4 + تغيير جذري في سلوك الاستزراع. عندما NH4 + تم توفيره ، لاحظنا نموًا سريعًا بغض النظر عن R. Palustris النمط الجيني (الشكلان 1 ج و 2 ب). نيو هامبشاير4 + -كانت الزراعة المزروعة بيضاء ، على عكس N.2المزروعات المزروعة ، والتي كانت حمراء (الشكل التكميلي 8) ، مما يشير إلى أن NH4 + سيطر المزارعون الموردة من قبل بكتريا قولونية بدلا من R. Palustris. بكتريا قولونية تم تأكيد الهيمنة من خلال كل من FISH وعدد الألواح الانتقائية (الشكلان 1 د و 2 ج). لمحات النمو والتخمير ودرجة الحموضة النهائية لـ NH4 + المزودة بزراعة مماثلة لتلك الخاصة بـ بكتريا قولونية الزراعة الأحادية (الشكل 2) ، مما يشير إلى مساهمة التمثيل الغذائي التي لا تذكر من قبل R. Palustris في هذه المزارع. على وجه التحديد ، لاحظنا تراكم الأحماض العضوية الاستهلاكية (الشكل 2 أ). عدم تحويل الأحماض العضوية المستهلكة إلى R. Palustris الكتلة الحيوية في NH4 + - نتج عن الزراعة المزروعة المزودة كثافة خلوية نهائية أقل بكثير من تلك الخاصة بـ N.2المزروعات المزروعة (الشكل 1 ج). بشكل عام ، توضح هذه البيانات أن العرض الخارجي لـ NH4 + يكسر التبعية المتبادلة لهذا التركيب ويسمح بكتريا قولونية لتجاوز الزراعة بسرعة بسبب انخفاض وقت التوليد الجوهري مقارنة بفترة R. Palustris (2.5 ساعة مقابل 9.9 ساعة) ، ومنعها في النهاية R. Palustris نمو. تؤكد هذه النتائج ، جنبًا إلى جنب مع نتائج الأسيتات التي تمت مناقشتها أعلاه ، أيضًا فكرة أن التعايش المستقر يعتمد على الاعتماد الأيضي للأنواع الأسرع نموًا على شريكها البطيء النمو وليس العكس (Hom and Murray ، 2014).

للأحماض العضوية أدوار إيجابية وسلبية في التبادلية

بدا في البداية أنه من المفارقات أنه كان هناك إهمال R. Palustris النمو في NH4 + المزروعات المزروعة على الرغم من وجود الأحماض العضوية المستهلكة (الشكل 2). ومع ذلك ، لاحظنا أن الرقم الهيدروجيني النهائي لـ NH4 + - المزروعات المزودة كانت أقل بكثير من تلك الخاصة بـ N.2المزروعات المزودة (الشكل 2 د). على أساس هذه الملاحظة ، استنتجنا أن الأحماض العضوية يمكن أن يكون لها دورين في نظامنا: دور إيجابي كمصدر للكربون لـ R. Palustris وله دور سلبي عند وفرة من خلال تحمض الثقافة. لاختبار هذه الفرضية ، قمنا بمراقبة النمو وإنتاج التخمير في NH4 + - المزروعات المزروعة التي تم تخزينها بالإضافة إلى ذلك مع 100 متر مابس ، الرقم الهيدروجيني 7. توقعنا أن المخزن المؤقت الإضافي سيحافظ على درجة الحموضة محايدة بدرجة كافية للسماح R. Palustris نمو. بالاتفاق مع هذه الفرضية ، NH4 + -كانت الثقافات الموفرة بالفعل قادرة على دعم R. Palustris النمو عند استكماله بـ MOPS (الشكل 3 أ الشكل التكميلي 8). في ظل هذه الظروف المخزنة بما فيه الكفاية ، بكتريا قولونية لا تزال تنمو بسرعة وتراكمت منتجات التخمير (الشكل 3) ومع ذلك ، فإن نموها أبطأ R. Palustris استوعبت في النهاية الأحماض العضوية المستهلكة المتراكمة ووصلت إلى كثافة خلايا مماثلة لتلك التي شوهدت في N.2- الزراعة المزروعة (الشكل 3 ج مقارنة بالشكل 2 ج). في نهج تكميلي ، نمت أيضا R. Palustris في أنفقت بكتريا قولونية المواد الطافية أحادية الزراعة التي كانت إما غير معدلة (−MOPS الأس الهيدروجيني 4.9) أو تم تخزينها بالإضافة إلى ذلك باستخدام 100 م م MOPS ، ودرجة الحموضة 7 (+ MOPS درجة الحموضة 6.2) قبل التلقيح باستخدام R. Palustris. لم يلاحظ أي نمو في المواد الطافية المستهلكة بدون مابس. في المقابل ، في MOPS- مخزنة بكتريا قولونية طاف R. Palustris استوعبت الأحماض العضوية الاستهلاكية ونمت إلى كثافة خلية مماثلة لتلك التي لوحظت في N.2- الزراعة المزروعة (الشكل التكميلي 5). أكدت نتائج هاتين التجربتين ذلك في NH4 + - المزروعات المزروعة بدون مابس ، يؤدي التراكم السريع للأحماض العضوية إلى تحويل دور الأحماض العضوية من كونها مادة مغذية إلى كونها ضارة R. Palustris.

التخمير السريع بواسطة بكتريا قولونية في نيو هامبشاير4 + - ينتج عن الزراعة المزروعة درجة حموضة تمنع النمو. (أ) منحنيات النمو مع قيم الأس الهيدروجيني النهائية المقابلة لـ NH4 + -الزراعة الموردة المحتوية على R. Palustris نمت النيتروجين في MDC بدون أو مع عازلة MOPS 100 م إضافية ، الرقم الهيدروجيني 7 (- / + MOPS). تم تلقيح الثقافات عن طريق الثقافة الفرعية. توجد منحنيات النمو المحولة للسجل في الشكل التكميلي 3. (ب, ج) إنتاجية منتج التخمير (ب) وكثافة الخلايا (ج) في النقاط الزمنية المتوسطة والنهائية المشار إليها في أ. أشرطة الخطأ ، sem ، ن= 3. بعض أشرطة الخطأ صغيرة جدًا بحيث لا يمكن تصورها.

تطوير نموذج بيئي قادر على التنبؤ بسلوك الزراعة

تعد النمذجة الرياضية للمجتمعات التركيبية أداة قوية لتوليد تنبؤات قابلة للاختبار تجريبياً لما يتحكم في ديناميكيات التبادلية والاستقرار (Klitgord and Segrè، 2010 Mee et al.، 2014 Zomorrodi and Segrè، 2015 Zelezniak et al.، 2015). لذلك قمنا بتطوير نموذج بيئي (الشكل 4) بناءً على التفاعلات الموصوفة سابقًا للأنظمة التبادلية مع حركية امتصاص Monod (Meyer et al. ، 1975 Lee et al. ، 1976). قمنا بتعديل النموذج لوصف زراعة الدُفعات ولتضمين التخمير المستقل عن النمو بواسطة بكتريا قولونية (الجدول التكميلي 2 الشكل التكميلي 1 Wanner and Egli ، 1990). نموذجنا يحاكي NH4 + إفراز بطريقة تعتمد على النمو لأن مصدر الكربون الأساسي R. Palustris النمو (الأحماض العضوية) هو أيضًا مصدر الإلكترون لـ N2 تثبيت.

رسم تخطيطي للنموذج البيئي. تمثل EC و Rp بكتريا قولونية و R. Palustris. تشير الأسهم البرتقالية إلى أن الإنتاج يمكن أن يكون معتمداً على النمو. تمثل الأسهم البيضاوية الحمراء تأثيرات مثبطة للأحماض العضوية ، يتم تضمين هذه المعلمة في النموذج A ولكن ليس في النموذج B. تشير الأحرف ذات الأقواس إلى تسميات رمز النموذج (انظر قسم "المواد والأساليب" ، الجدول التكميلي 2). EtOH ، إيثانول ، فورمات Glc ، جلوكوز OAcs ، أحماض عضوية قابلة للاستهلاك (لاكتات ، أسيتات ، سكسينات).

قمنا أيضًا بتعديل نموذجنا لوصف تثبيط الحمض لكليهما R. Palustris و بكتريا قولونية النمو بالأحماض العضوية (نموذج أ). كان هذا التعديل ضروريًا للتنبؤ بشكل صحيح بديناميات الموارد والسكان في نيو هامبشاير4 + -الزراعة الموردة ، وتحديداً هيمنة الزراعة من قبل بكتريا قولونيةوتراكم الأحماض العضوية وتثبيطها R. Palustris النمو (الشكل 5 ب ، اللوحة اليسرى مقارنة مع الشكل 5 أ اللوحة اليسرى والشكل 2). عندما تم حذف تثبيط الحمض من النموذج (النموذج ب) ، تنبأ النموذج بالنمو واتجاهات التمثيل الغذائي في NH4 + -الزراعة المزودة التي كانت غير متوافقة مع ملاحظاتنا التجريبية. على وجه التحديد ، توقع النموذج B بشكل غير صحيح بهذه السرعة بكتريا قولونية سيكون النمو مصحوبًا بتباطؤ R. Palustris نمو Nx في NH4 + المزروعات المزروعة وأن الملامح الأيضية النهائية وكثافة الأنواع يمكن مقارنتها بـ N2- الزراعة الموردة (الشكل 5 ج ، اللوحة اليسرى مقارنة بالشكل 5 ج ، اللوحة اليمنى). ومع ذلك ، كانت هذه التنبؤات متوافقة مع الاتجاهات التي لوحظت في NH المخزن مؤقتًا من MOPS4 + المزروعات المزودة (قارن الشكل 5 ج على اللوحة اليسرى مع الشكل 3) ، مما يثبت تأثير تثبيط الحمض في NH4 + - الزراعة المشتركة المقدمة وفائدة النموذج البيئي في التنبؤ بكيفية تأثير عوامل محددة على سلوك الاستزراع.

تتنبأ النمذجة البيئية بدقة بسلوك الزراعة عند تضمين تأثيرات تثبيط النمو للأحماض العضوية. تجريبي (أ) ومحاكاة (ب, ج) لمحات النمو والتمثيل الغذائي بكتريا قولونية+R. Palustris Nx NH4 + مزود (يسار) أو N2- المزروعة (حق) الزراعة. (أ) تم تلقيح جميع المزارع عن طريق الثقافة الفرعية. معظم أشرطة الخطأ (sem، ن= 3) صغيرة جدًا بحيث لا يمكن تصورها. (ب, ج) تم تشغيل عمليات المحاكاة باستخدام النموذج أ (ب) أو النموذج B (ج) مع المعلمات الافتراضية (الجدول التكميلي 2) باستثناء تلك الخاصة بالمحاكاة باستخدام NH4 + (اللوحات اليسرى) NH الأولي4 + تم ضبط التركيز على 15 م. Ec ، بكتريا قولونية روبية ، R. Palustris OAcs ، أحماض عضوية مستهلكة.

تنبؤات N2- كانت الزراعة المزروعة متطابقة تقريبًا باستخدام النموذجين (الشكلان 5 ب و ج ، اللوحات اليمنى). توقع كلا النموذجين أن الأحماض العضوية المستهلكة سوف تتراكم لفترة وجيزة فقط ، وأن الزراعة المزروعة ستتكون بشكل أساسي من R. Palustris نكس (14٪ بكتريا قولونية محاكاة مقابل

10٪ الشكل التجريبي 5 ، اللوحات اليمنى). تم دعم هذه المحاكاة من خلال بياناتنا التجريبية التي توضح أن المخزن المؤقت الإضافي ليس له تأثير ملحوظ على النمو أو الاتجاهات الأيضية في N.2المزروعات المزروعة (الشكل التكميلي 9). وبالتالي ، لا يتم ملاحظة التأثيرات المثبطة للأحماض العضوية في N.2المزروعات المزروعة كاستهلاك من قبل R. Palustris يواكب الإنتاج. بمعنى آخر ، التفاعلات الأيضية المتوازنة في N.2-الزراعة المزودة عازلة ذاتيًا للنظام.

يمكن أن تكون مستويات التغذية المتقاطعة العالية ضارة بالتكافل

يصعب قياس مستويات التغذية المتقاطعة بطبيعتها ، ومع ذلك يُفترض أنها عامل محدد رئيسي لديناميكيات التبادلية والاستقرار (Shou et al.، 2007 Kim et al.، 2008 Estrela et al.، 2012 Hom and Murray، 2014). لذلك استخدمنا نموذجنا لمعالجة تأثير NH4 + - مستويات التغذية الشاملة على ديناميات التبادلية. عن طريق تغيير NH4 + معلمة الإخراج قدرنا مستوى NH44 + إفراز بواسطة R. Palustris Nx التي من شأنها أن تؤدي إلى اتجاهات الزراعة المرصودة (الأشكال 6 أ ، 1 ×). مجموعة كبيرة من NH4 + إفراز ، أعلى وأقل من إفراز R. Palustris Nx ويمتد لأكثر من 3 أوامر من حيث الحجم ، تم توقعه لدعم النمو التعاوني (الشكل 6 أ). بشكل مفاجئ ، بمستويات أعلى من تلك التي تفرزها R. Palustris Nx ، توقع النموذج زيادة كمية NH44 + تفرز لكل R. Palustris ستقلل الخلية من R. Palustris القدرة الاستيعابية (أقصى حجم مسموح به من قبل ظروف الاستزراع شكل 6 أ). المزيد NH4 + إفراز ينتج عنه أسرع بكتريا قولونية النمو وإفراز الأحماض العضوية ، متجاوزة الاستهلاك بمقدار R. Palustris. وبالتالي ، فإن الأحماض العضوية تتراكم وتحمض الوسط وتقلل R. Palustris القدرة الاستيعابية (الشكل 6 أ). تثبيط الحمض R. Palustris من المتوقع أن ينتج عن ارتفاع NH4 + excretion is analogous to trends observed when cocultures were supplemented with NH4 + , though the effects from the NH4 + supplement are predicted to be more severe (compare Figure 6a with Figure 5b).

Higher NH4 + excretion levels lead to cocultures with less R. palustris and less carbon assimilation. (أ) Simulated effect of the R. palustris نيو هامبشاير4 + excretion level on growth and organic acid accumulation in N2-supplied cocultures. Concentration of 1 × is the default NH4 + excretion level (0.25 fmol NH4 + /cell) and is thought to represent that excreted by R. palustris Nx, based on model approximation of experimental trends. Concentration of 3 × (0.75 fmol NH4 + /cell) indicates an NH4 + excretion level thought to represent that by R. palustris NxΔAmtB (CGA4021), based on monoculture NH4 + levels compared with those of R. palustris Nx (Supplementary Figure 2). OAcs, consumable organic acids For, formate Ecأنا and Rpأنا, initial بكتريا قولونية و R. palustris cell densities (dashed lines) EcF and RpF, final بكتريا قولونية و R. palustris cell densities (solid lines). (بد) Experimental data from R. palustris Nx-based and R. palustris NxΔAmtB-based cocultures, including growth curves and final pH values (ب), final cell densities (ج) and final بكتريا قولونية percentages over serial transfers (د). Log transformed growth curves are in Supplementary Figure 3. All cocultures were inoculated at a 1:1 species ratio. Error bars, s.e.m., ن=3.

These predictions of altered community composition highlighted a crucial aspect of this mutualism: the inhibitory activity of organic acids is directly proportional to their net excretion level. Consequently, the level of cross-feeding determines the equilibrium ratio and carrying capacity for each species. Moreover, contradictory as it may seem, enhanced cross-feeding is predicted to actually be detrimental to this mutualism (lower R. palustris carrying capacity and less carbon assimilated by the community).

To experimentally test these predictions, we engineered R. palustris to excrete more NH4 + than the Nx strain. In several diazotroph species, disruption of the NH4 + transporter, AmtB, results in extracellular NH4 + accumulation during N2 fixation (Yakunin and Hallenbeck, 2002 Zhang et al., 2012 Barney et al., 2015). We deleted the genes for both AmtB homologs in R. palustris Nx, resulting in R. palustris NxΔAmtB, and found that NH4 + accumulated to nearly three times to that of R. palustris Nx in monocultures (Supplementary Figure 2). The increased NH4 + accumulation was due to the amtB2 deletion the amtB1 deletion had no effect (Supplementary Figure 2). When we paired R. palustris NxΔAmtB with بكتريا قولونية, coculture behavior matched that predicted by the modeled 3 × NH4 + excretion level (Figure 6a). The combined carrying capacity was lower than that of cocultures with R. palustris Nx (Figure 6b), R. palustris cell densities declined (Figure 6c), the final species ratio changes to approximately 1:1 (Figure 6c), and consumable organic acids accumulated and acidified the medium (Figure 6b Supplementary Figure 10). Growth yield and organic acid assimilation levels in cocultures with R. palustris NxΔAmtB were restored to levels seen in cocultures with R. palustris Nx by adding MOPS buffer, confirming that acidification was prematurely inhibiting R. palustris NxΔAmtB growth (Supplementary Figure 10).

Despite the detrimental effect of increased NH4 + excretion on the R. palustris carrying capacity, metabolic and growth trends were reproducible and stable coexistence was maintained over multiple transfers (Figure 6c Supplementary Figure 10). Thus, the obligate nature of cross-feeding within this mutualism ensured stable coexistence even at a new equilibrium state. The model predicted that different NH4 + excretion levels would establish a range of stable equilibria (Figure 6a). These distinct equilibria are likely all stabilized by negative frequency-dependent selection on بكتريا قولونية (Morris, 2015), wherein the relative amount of NH4 + available per بكتريا قولونية cell, which determines بكتريا قولونية fitness, decreases as the بكتريا قولونية frequency increases. The level of NH4 + exchange also influenced organic acid transformation by R. palustris into biomass and CO2 (Figure 6a Supplementary Figure 10) and thus impacted the nature and efficiency with which this synthetic community transformed carbon.


خيارات الوصول

احصل على الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


Fernández-Sevilla, J. M., Fernández, F. G. A. & Grima, E. M. Biotechnological production of lutein and its applications. تطبيق ميكروبيول. Biotechnol. 86, 27–40 (2010).

Barrera, D. J. et al. Algal chloroplast produced camelid VHH antitoxins are capable of neutralizing botulinum neurotoxin. Plant Biotechnol. ج. 13, 117–124 (2015).

Brennan, L. & Owende, P. Biofuels from microalgae—a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renew. الحفاظ. Energy Rev. 14, 557–577 (2010).

Guarnieri, M. T. et al. Examination of triacylglycerol biosynthetic pathways via de novo transcriptomic and proteomic analyses in an unsequenced microalga. بلوس واحد 6, e25851 (2011).

Rosenberg, J. N. et al. Comparative analyses of three chlorella species in response to light and sugar reveal distinctive lipid accumulation patterns in the Microalga C. sorokiniana. بلوس واحد 9, e92460 (2014).

Li, X., Xu, H. & Wu, Q. Large-scale biodiesel production from microalga Chlorella protothecoides through heterotrophic cultivation in bioreactors. Biotechnol. بيونج. 98, 764–771 (2007).

Doucha, J. & Lívanský, K. Production of high-density Chlorella culture grown in fermenters. J. Appl. Phycol. 24, 35–43 (2012).

Ramaswamy, S., Cutright, T. J. & Qammar, H. K. Control of a continuous bioreactor using model predictive control. عملية Biochem. 40, 2763–2770 (2005).

del Rio-Chanona, E. A. et al. Optimal operation strategy for biohydrogen production. Ind. Eng. Chem. الدقة. 54, 6334–6343 (2015).

Bernard, O. Hurdles and challenges for modelling and control of microalgae for CO2 mitigation and biofuel production. J. Process Control 21, 1378–1389 (2011).

Ashoori, A., Moshiri, B., Khaki-Sedigh, A. & Bakhtiari, M. R. Optimal control of a nonlinear fed-batch fermentation process using model predictive approach. J. Process Control 19, 1162–1173 (2009).

Juneja, A. & Murthy, G. S. Model predictive control coupled with economic and environmental constraints for optimum algal production. Bioresour. تكنول. 250, 556–563 (2018).

Tebbani, S., Lopes, F., Filali, R., Dumur, D. & Pareau, D. Nonlinear predictive control for maximization of CO2 bio-fixation by microalgae in a photobioreactor. Bioprocess Biosyst. م. 37, 83–97 (2014).

Tibocha-Bonilla, J. D., Zuñiga, C., Godoy-Silva, R. D. & Zengler, K. Advances in metabolic modeling of oleaginous microalgae. Biotechnol. الوقود الحيوي 11, 241 (2018).

O’Brien, E. J., Monk, J. M. & Palsson, B. O. Using genome-scale models to predict biological capabilities. زنزانة 161, 971–987 (2015).

Zuniga, C. et al. Predicting dynamic metabolic demands in the photosynthetic eukaryote Chlorella vulgaris. نبات فيزيول., 00605.02017 (2017).

Orth, J. D., Thiele, I. & Palsson, B. Ø. What is flux balance analysis? نات. Biotechnol. 28, 245 (2010).

Reed, J. L., Vo, T. D., Schilling, C. H. & Palsson, B. O. An expanded genome-scale model of Escherichia coli K-12 (i JR904 GSM/GPR). جينوم بيول. 4, R54 (2003).

Förster, J., Famili, I., Fu, P., Palsson, B. Ø. & Nielsen, J. Genome-scale reconstruction of the Saccharomyces cerevisiae metabolic network. الدقة الجينوم. 13, 244–253 (2003).

Hefzi, H. et al. A consensus genome-scale reconstruction of Chinese hamster ovary cell metabolism. Cell Syst. 3, 434–443. e438 (2016).

Burgard, A. P., Pharkya, P. & Maranas, C. D. Optknock: a bilevel programming framework for identifying gene knockout strategies for microbial strain optimization. Biotechnol. بيونج. 84, 647–657 (2003).

Rolfsson, O., Palsson, B. Ø. & Thiele, I. The human metabolic reconstruction Recon 1 directs hypotheses of novel human metabolic functions. نظام BMC. بيول. 5, 155 (2011).

Zuñiga, C. et al. Genome-scale metabolic model for the green alga Chlorella vulgaris utex 395 accurately predicts phenotypes under autotrophic, heterotrophic, and mixotrophic growth conditions. نبات فيزيول., 00593.02016 (2016).

Heath, R. L. A constitutive enzyme system for glucose transport by Chlorella sorokiniana. نبات فيزيول. 64, 224–227 (1979).

Bumbak, F., Cook, S., Zachleder, V., Hauser, S. & Kovar, K. Best practices in heterotrophic high-cell-density microalgal processes: achievements, potential and possible limitations. تطبيق ميكروبيول. Biotechnol. 91, 31 (2011).

Komor, E., Haass, D., Komor, B. & Tanner, W. The active hexose-uptake system of Chlorella vulgaris: Km-values for 6-deoxyglucose influx and efflux and their contribution to sugar accumulation. Eur. J. Biochem. 39, 193–200 (1973).

Chen, H., Zheng, Y., Zhan, J., He, C. & Wang, Q. Comparative metabolic profiling of the lipid-producing green microalga Chlorella reveals that nitrogen and carbon metabolic pathways contribute to lipid metabolism. Biotechnol. الوقود الحيوي 10, 153 (2017).

Ördög, V., Stirk, W. A., Bálint, P., van Staden, J. & Lovász, C. Changes in lipid, protein and pigment concentrations in nitrogen-stressed Chlorella minutissima cultures. J. Appl. Phycol. 24, 907–914 (2012).

Mandels, G. R. A quantitative study of chlorosis in Chlorella under conditions of sulphur deficiency. نبات فيزيول. 18, 449 (1943).

Lv, J.-M., Cheng, L.-H., Xu, X.-H., Zhang, L. & Chen, H.-L. Enhanced lipid production of Chlorella vulgaris by adjustment of cultivation conditions. Bioresour. تكنول. 101, 6797–6804 (2010).

Zhu, S. et al. Metabolic changes of starch and lipid triggered by nitrogen starvation in the microalga Chlorella zofingiensis. Bioresour. تكنول. 152, 292–298 (2014).

Droop, M. R. 25 years of algal growth kinetics a personal view. بوت. مارس. 26, 99–112 (1983).

Basan, M. et al. Overflow metabolism in الإشريكية القولونية results from efficient proteome allocation. طبيعة سجية 528, 99 (2015).

Young, J. D. Metabolic flux rewiring in mammalian cell cultures. بالعملة. Opin. Biotechnol. 24, 1108–1115 (2013).

Liu, L., Pohnert, G. & Wei, D. Extracellular metabolites from industrial microalgae and their biotechnological potential. Mar. drugs 14, 191 (2016).

Kind, T. et al. Qualitative analysis of algal secretions with multiple mass spectrometric platforms. J. Chromatogr. أ 1244, 139–147 (2012).

Zhao, L.-S. وآخرون. Nitrogen starvation impacts the photosynthetic performance of porphyridium cruentum as revealed by Chlorophyll a fluorescence. علوم. اعادة عد. 7, 8542 (2017).

Wu, C., Xiong, W., Dai, J. & Wu, Q. Genome-based metabolic mapping and 13C flux analysis reveal systematic properties of an oleaginous microalga Chlorella protothecoides. نبات فيزيول. 167, 586–599 (2015).

Gopalakrishnan, S., Baker, J., Kristoffersen, L. & Betenbaugh, M. J. Redistribution of metabolic fluxes in Chlorella protothecoides by variation of media nitrogen concentration. متعب. م. Commun. 2, 124–131 (2015).

Xiong, W., Liu, L., Wu, C., Yang, C. & Wu, Q. 13C-tracer and gas chromatography-mass spectrometry analyses reveal metabolic flux distribution in the oleaginous microalga Chlorella protothecoides. نبات فيزيول. 154, 1001–1011 (2010).

فو ، دبليو وآخرون. Effects of abiotic stressors on lutein production in the green microalga Dunaliella salina. ميكروب. Cell Factor. 13, 3 (2014).

Stephenson, A. L., Dennis, J. S., Howe, C. J., Scott, S. A. & Smith, A. G. Influence of nitrogen-limitation regime on the production by Chlorella vulgaris of lipids for biodiesel feedstocks. الوقود الحيوي 1, 47–58 (2010).

Flassig, R. J., Fachet, M., Höffner, K., Barton, P. I. & Sundmacher, K. Dynamic flux balance modeling to increase the production of high-value compounds in green microalgae. Biotechnol. biofuels 9, 165 (2016).

Xiong, W., Li, X., Xiang, J. & Wu, Q. High-density fermentation of microalga Chlorella protothecoides in bioreactor for microbio-diesel production. تطبيق ميكروبيول. Biotechnol. 78, 29–36 (2008).

Finogenova, T. V., Morgunov, I. G., Kamzolova, S. V. & Chernyavskaya, O. G. Organic acid production by the yeast Yarrowia lipolytica: a review of prospects. تطبيق بيوتشيم. ميكروبيول. 41, 418–425 (2005).

Kim, J. Y., Kim, Y.-G. & Lee, G. M. CHO cells in biotechnology for production of recombinant proteins: current state and further potential. تطبيق ميكروبيول. Biotechnol. 93, 917–930 (2012).

Dong, T. et al. Direct quantification of fatty acids in wet microalgal and yeast biomass via a rapid in situ fatty acid methyl ester derivatization approach. تطبيق ميكروبيول. Biotechnol. 99, 10237–10247 (2015).

Yuan, J.-P., Chen, F., Liu, X. & Li, X.-Z. Carotenoid composition in the green microalga Chlorococcum. Food Chem. 76, 319–325 (2002).

Sumanta, N., Haque, C. I., Nishika, J. & Suprakash, R. Spectrophotometric analysis of chlorophylls and carotenoids from commonly grown fern species by using various extracting solvents. الدقة. J. كيم. علوم. 2231, 606X (2014).

Guarnieri, M. T., Nag, A., Yang, S. & Pienkos, P. T. Proteomic analysis of Chlorella vulgaris: potential targets for enhanced lipid accumulation. J. بروتيوم. 93, 245–253 (2013).

Schellenberger, J. et al. Quantitative prediction of cellular metabolism with constraint-based models: the COBRA Toolboxv2. 0. نات. بروتوك. 6, 1290–1307 (2011).


قم بتنزيل وطباعة هذه المقالة لاستخداماتك العلمية والبحثية والتعليمية الشخصية.

شراء عدد واحد من علم مقابل 15 دولارًا أمريكيًا فقط.

علم

Vol 372, Issue 6539
16 April 2021

أدوات المادة

الرجاء تسجيل الدخول لإضافة تنبيه لهذه المقالة.

By Lucas J. Ustick , Alyse A. Larkin , Catherine A. Garcia , Nathan S. Garcia , Melissa L. Brock , Jenna A. Lee , Nicola A. Wiseman , J. Keith Moore , Adam C. Martiny

علم 16 Apr 2021 : 287-291

Plankton genomic changes provided a nuanced delineation of global ocean nutrient limitation.


APHA, American Public Health Association. 1998. Standard Methods for the Analysis of Water and Wastewater, 20 th Edition. APHA and Water Environment Federation, Washington, DC, USA.

Borchardt, M. A. 1996. Nutrients p. 183–227.في R. J. Stevenson, M. L. Bothwell, and R. L. Lowe (eds.) Algal Ecology: Freshwater Benthic Ecosytems. Academic Press, New York, NY, USA.

Bowden, W. B. 1987. The biogeochemistry of nitrogen in freshwater wetlands. Biogeochemistry 4:313–348.

Doyle, R. D. and T. R. Fisher. 1994. Nitrogen fixation by periphyton and plankton on the Amazon floodplain at Lake Calado. Biogeochemistry 26:41–66.

Fairchild, G. W., R. L. Lowe, and W. B. Richardson. 1985. Algal periphyton growth on nutrient-diffusing substrates: an in situ bioassay. Ecology 66:465–472.

Flett, R. J., R. D. Hamilton, and N. E. R. Campbell. 1976. Aquatic acetylene reduction techniques: solutions to several problems. Canadian Journal of Microbiology 22:43–51.

Goldsborough, L. G. and G. G. C. Robinson. 1996. Patterns in wetlands. p. 77–117.في R. J. Stevenson, M. L. Bothwell, and R. L. Lowe (eds.). Algal Ecology: Freshwater Benthic Ecosystems. Academic Press, New York, NY, USA.

Havens, K. E., T. L. East, A. J. Rodusky, and B. Sharfstein. 1999. Littoral periphyton responses to nitrogen and phosphorus: and experimental study in a subtropical lake. Aquatic Botany 63:267–290.

Inglett, P. W., K. R. Reddy, and P. V. McCormick 2004. Periphyton chemistry and nitrogenase activity in a northern Everglades ecosystem. Biogeochemistry 67:213–233.

Kadlec, R. H. and R. L. Knight. 1996. Treatment Wetlands. Lewis Publishers, CRC Press LLC, Boca Raton, FL, USA.

Krammer, K. and H. Lange-Bertalot. 1999. Bacillariophyceae: Bacillariaceae, Epithemiaceae, Surirellaceae. Volume 2.في H. Ettl, J. Gerloff, H. Heynig, and D. Mollenhauer (eds.) Süßwasserflora von Mitteleuropa, Band 2/2. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Germany.

Krammer, K. and H. Lange-Bertalot. 2000. Bacillariophyceae: English and French Translation of the Keys. Volume 5في B. Büdel G. Gärtner, L. Krienitz, and G. M. Lokhorst (eds.) Süßwasserflora von Mitteleuropa, Band 2/5. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Germany.

Levine, S. N. and D. W. Schindler. 1999. Influence of nitrogen to phosphorus supply ratios and physicochemical conditions on cyanobacteria and phytoplankton species composition in the Experimental Lakes Area, Canada. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Science 56:451–466.

Lowe, R. L., B. H. Rosen, and G. W. Fairchild. 1984. Endosymbiotic blue-green algae in freshwater diatoms: and advantage in nitrogen poor habitats. Journal of Phycology 20:24.

Matlock, M. D., M. E. Matlock, D. E. Storm, M. D. Smolen, and W. J. Henley. 1998. Limiting nutrient determination in lotic ecosystems using a quantitative nutrient enrichment periphytometer. Journal of the American Water Resources Association 34:1141–1147.

Matlock, M. D., D. E. Storm, M. D. Smolen, M. E. Matlock, A. M. S. McFarland, and L. M. Hauck. 1999. Development and application of a lotic ecosystem trophic status index. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 42:651–656.

Mayer, P. M. and S. M. Galatowitsch. 2001. Assessing ecosystem integrity of restored prairie wetlands from species production-diversity relationships. Hydrobiologia 443:177–185.

McCormick, P. V., M. B. O'Dell, R. B. E. Shuford III, J. G. Backus, and W. C. Kennedy. 2001. Periphyton responses to experimental phosphorus enrichment in a subtropical wetland. Aquatic Botany 71:119–139.

McCormick, P. V., P. S. Rawlik, K. Lurding, E. P. Smith, and F. H. Sklar. 1996. Periphyton-water quality relationships along a nutrient gradient in the northern Florida Everglades. Journal of the North American Benthological Society 15:433–449.

McCormick, P. V., R. B. E. Shuford III, J. G. Backus, and W. C. Kennedy 1998. Spatial and seasonal patterns of periphyton biomass and productivity in the northern Florida Everglades. Hydrobiologia 362:185–208.

McDougal, R. L., L. G. Goldsborough, and B. J. Hann. 1997. Responses of a prairie wetland to press and pulse additions of in organic nitrogen and phosphorus: production by planktonic and benthic algae. Archiv für Hydrobiologie 140:145–167.

McFarland, A. M. S., and L. Hauck. 1999. Existing nutrient sources and contributions to the Bosque River Watershed. Texas Institute for Applied Environmental Research, Tarleton State University, Stephenville, TX, USA. PR9911.

Olde Venterink, H. R. E. van der Vliet, and M. J. Wassen. 2001. Nutrient limitation along a productivity gradient in wet meadows. Plant and Soil 234:171–179.

Poe, A. C., M. F. Piehler, S. P. Thompson, and H. W. Paerl 2003. Denitrification in a constructed wetland receiving agricultural run-off. Wetlands 23:817–826.

Richardson, C. J., G. M. Ferrell, and P. Vaithiyanathan. 1999. Nutrient effects on stand structure, resorption efficiency, and secondary compounds in Everglades sawgrass. Ecology 80:2182–2192.

Richardson, C. J. and S. S. Qian. 1999. Long-term phosphorus assimilative capacity in freshwater wetlands: A new paradigm for sustaining ecosystem structure and function. Environmental Science and Technology 33:1545–1551.

Rodusky, A. J., A. D. Steinmann, T. L. East, B. Sharfstein, and R. M. Meeker. 2001. Periphyton nutrient limitation and other potential growth-controlling factors in Lake Okeechobee, USA. Hydrobiologia 448:27–39.

Round, F. E., R. M. Crawford, and D. G. Mann. 1990. The Diatoms Biology and Morphology on the Genera. Cambridge University Press, Cambridge, U.K.

SAS Institute Inc. 1999 SAS/STAT ® User's Guide, Version 8. Cary, NC, USA.

Tank, J. L. and W. K. Dodds. 2003. Nutrient limitation of epilithic and epixylic biofilms in 10 North American streams. Freshwater Biology 48:1031–1049.

Toetz, D. 1995. Water chemistry and periphyton in an alpine wetland. Hydrobiologia 312:93–105.

Turner, A. M., J. C. Trexler, C. F. Jordan, S. J. Slack, P. Geddes, J. H. Chick, and W. F. Lotus. 1999. Targeting ecosystem features for conservation: standing crops in the Florida Everglades. Conservation Biology 13:898–911.

Tyler, A. C., T. A. Mastronicola, and K. J. McGlathery. 2003. Nitrogen fixation and nitrogen limitation of primary production along a natural marsh chronosequence. Oecologia 136:431–438.

Vaithiyanathan, P. and C. J. Richardson. 1997. Nutrient profiles in the everglades: examination along the eutrophication gradient. The Science of the Total Environment 205:81–95.

Vaithiyanathan, P. and C. J. Richardson. 1999. Macrophyte species changes in the Everglades: Examination along a eutrophication gradient. Journal of Environmental Quality 28:1347–1358.

Vymazal, J. 1995. Algae and Element Cycling in Wetlands. CRC Press, Boca Raton, FL, USA.

Vymazal, J. and C. J. Richardson. 1995. Species composition, biomass, and nutrient content of periphyton in the Florida Everglades. Journal of Phycology 31:343–354.

Wehr, J. D. and R. G. Sheath (eds.). 2003. Freshwater Algae of North America: Ecology and Classification. Academic Press, San Diego, CA, USA.

Wetzel, R. G. 2001. Limnology: Lake and River Ecosystems 3 rd Edition. Academic Press, San Diego, CA, USA.

Wetzel, R. G. and G. E. Likens. 2000. Limnological Analyses 3 rd Edition. Springer-Verlag, New York, NY, USA.

Wu, X and W. J. Mitsch. 1998. Spatial and temporal patterns of algae in newly constructed freshwater wetlands. Wetlands 18:9–20.


شكر وتقدير

Funding was provided by the Bolin Centre for Climate Research (Research Area 4), through the project ‘Scaling carbon-use efficiency from the organism- to the global-scale’, and by the Swedish Research Councils, Formas (2015-468) and VR (2016-04146). PC and HS were supported by SoWa Research Infrastructure, funded by MEYS CZ grant LM2015075 (programme ‘Projects of Large Infrastructure for Research, Development and Innovations’). Significant funding for collection of litter decomposition data was provided by the National Science Foundation Long-Term Ecological Research programme. Hideyuki Doi, Philip Taylor and Xiaofeng Xu kindly shared their datasets on biomass elemental composition and CUE of microorganisms and animals. We also thank Robert Sinsabaugh and two anonymous reviewers for their constructive comments.