Changes in ultrastructural features of the foraminifera Ammonia spp. in response to anoxic conditions: Field and laboratory observations

浮游蟲屬氨體在缺氧環(huán)境下的超微結(jié)構(gòu)變化：實(shí)地與實(shí)驗(yàn)室觀察結(jié)果

來源：Marine Micropaleontology 138 (2018) 72–82

 

一、論文摘要

本研究通過野外調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)合透射電子顯微鏡（TEM）觀察，揭示了淺水有孔蟲 Ammoniaspp.（包括未知系統(tǒng)型和T6系統(tǒng)型）在應(yīng)對(duì)缺氧環(huán)境時(shí)發(fā)生的細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化。研究發(fā)現(xiàn)，在缺氧條件下，有孔蟲細(xì)胞會(huì)積累脂滴，且脂滴的大小（可超過5μm）和數(shù)量可能隨缺氧持續(xù)時(shí)間增加而增加，同時(shí)細(xì)胞質(zhì)電子密度降低。此外，在一些樣本中觀察到脂滴出現(xiàn)在質(zhì)膜與有機(jī)內(nèi)襯（organic lining）之間的空隙中，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)存在完整的細(xì)菌和電子致密不透明體，有機(jī)內(nèi)襯也可能增厚。這些超微結(jié)構(gòu)的變化被認(rèn)為是Ammoniaspp. 對(duì)不利缺氧環(huán)境的應(yīng)激反應(yīng)，表明其可能通過進(jìn)入休眠狀態(tài)或降低新陳代謝來在缺氧環(huán)境中生存。

二、研究目的

本研究的主要目的是通過觀察有孔蟲Ammoniaspp. 的細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)，來揭示其對(duì)缺氧環(huán)境的生理適應(yīng)策略和生存機(jī)制。具體而言，研究旨在：

 

比較從自然環(huán)境中（荷蘭瓦登海含氧和缺氧沉積物）采集的Ammoniaspp. 的超微結(jié)構(gòu)差異。

通過實(shí)驗(yàn)室控制培養(yǎng)（含氧與缺氧條件），驗(yàn)證野外觀察到的結(jié)構(gòu)變化是否由缺氧直接引起。

 

識(shí)別與缺氧應(yīng)激相關(guān)的關(guān)鍵超微結(jié)構(gòu)特征（如脂滴、細(xì)菌、細(xì)胞器變化），從而推斷有孔蟲在低氧環(huán)境下的生理狀態(tài)（如是否進(jìn)入休眠）。

 

三、研究思路

研究采用了 “野外觀察”與“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”相結(jié)合的思路：

 

野外采樣：從荷蘭瓦登海Mokbaai潮灘采集沉積物巖心，使用丹麥Unisense氧微電極測(cè)定孔隙水的氧氣垂直剖面，以確定有孔蟲的微棲息地氧化還原狀態(tài)（圖2）。從表層（0-1 cm，通常為含氧）和深層（7-10 cm，為缺氧）沉積物中分離出活的Ammoniasp.（系統(tǒng)型未知）個(gè)體。

 

實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)：從日本東京灣和法國(guó)Aiguillon灣采集Ammoniasp.（系統(tǒng)型T6），在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行含氧和缺氧培養(yǎng)（實(shí)驗(yàn)1、2、3）。

樣品處理與觀察：將野外和實(shí)驗(yàn)室獲得的活體有孔蟲固定、脫水、包埋并制成超薄切片，使用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行觀察和拍照（方法細(xì)節(jié)見表1和表2）。

 

對(duì)比分析：系統(tǒng)比較來自含氧環(huán)境（野外表層樣本、實(shí)驗(yàn)室含氧培養(yǎng)）和缺氧環(huán)境（野外深層樣本、實(shí)驗(yàn)室缺氧培養(yǎng)）的有孔蟲在脂滴、細(xì)胞質(zhì)密度、細(xì)菌存在、細(xì)胞器形態(tài)等方面的超微結(jié)構(gòu)差異（圖3至圖8）。

 

 

 

 

 

 

四、測(cè)量的數(shù)據(jù)、來源及研究意義

研究測(cè)量了多方面的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)及其意義如下：

 

孔隙水化學(xué)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來自圖2）：

 

數(shù)據(jù)：使用Unisense微電極測(cè)量的溶解氧（O?）垂直剖面，以及硝酸鹽（NO??）和銨鹽（NH??）的濃度深度分布。

 

研究意義：這些數(shù)據(jù)精確界定了有孔蟲在野外的實(shí)際生存環(huán)境。數(shù)據(jù)顯示氧氣滲透深度極淺（<0.5-1 cm），證實(shí)從深層（7-10 cm）采集的有孔蟲確實(shí)長(zhǎng)期生活在缺氧環(huán)境中。硝酸鹽和銨鹽的數(shù)據(jù)提供了氮循環(huán)的背景信息，有助于理解潛在的厭氧代謝（如反硝化）環(huán)境。

 

超微結(jié)構(gòu)觀察數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)主要來自圖3至圖8）：

 

數(shù)據(jù)：通過TEM觀察獲得的定性描述和圖像證據(jù)，包括脂滴的大小和分布、細(xì)胞質(zhì)的電子密度、線粒體等細(xì)胞器的形態(tài)、細(xì)菌的存在與形態(tài)、有機(jī)內(nèi)襯的厚度等。

研究意義：這是本研究的核心數(shù)據(jù)。這些直觀的圖像證據(jù)直接揭示了缺氧脅迫下有孔蟲細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生的生理變化。

 

脂滴積累和增大（圖5, 圖6）：這被解釋為一種典型的細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)，可能是能量?jī)?chǔ)存形式改變或脂肪酸代謝紊亂的標(biāo)志。

細(xì)胞質(zhì)電子密度降低（對(duì)比圖3/4與圖5）：表明細(xì)胞質(zhì)可能被消耗，支持了有孔蟲在缺氧下進(jìn)入低代謝休眠狀態(tài)的假說。

細(xì)菌內(nèi)生體的出現(xiàn)（圖7）：僅在缺氧樣本中發(fā)現(xiàn)完整且正在分裂的細(xì)菌，暗示了有孔蟲與微生物之間在缺氧條件下可能存在特殊的互利共生或代謝合作關(guān)系。

 

有機(jī)內(nèi)襯增厚等變化（圖8）：可能是一種物理保護(hù)機(jī)制，抵御不良環(huán)境。

 

五、研究結(jié)論

 

缺氧引發(fā)顯著的應(yīng)激反應(yīng)：Ammoniaspp. 在缺氧條件下表現(xiàn)出清晰的超微結(jié)構(gòu)應(yīng)激標(biāo)志，最主要的是脂滴的積累和增大。

生存策略是休眠或代謝降低：細(xì)胞質(zhì)變薄、細(xì)胞器活動(dòng)減少等跡象表明，有孔蟲在缺氧環(huán)境下很可能降低了新陳代謝率并進(jìn)入休眠狀態(tài)，以此延長(zhǎng)生存時(shí)間，而非進(jìn)行活躍的厭氧代謝。

細(xì)菌內(nèi)生體可能發(fā)揮重要作用：缺氧條件下有孔蟲細(xì)胞質(zhì)內(nèi)特異性出現(xiàn)的細(xì)菌，表明其可能在幫助宿主適應(yīng)缺氧環(huán)境（如參與氮、硫循環(huán)）中扮演關(guān)鍵角色，但其具體功能仍需進(jìn)一步研究。

 

缺氧并非其最適生境：盡管Ammoniaspp. 能通過上述策略在缺氧中存活，但所有的超微結(jié)構(gòu)變化都表明這是一種非理想的、受壓狀態(tài)，證實(shí)了缺氧環(huán)境對(duì)其而言是脅迫環(huán)境。

 

六、詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量出來的數(shù)據(jù)有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense氧微電極（OX-100型） 測(cè)量的數(shù)據(jù)具有至關(guān)重要的意義，它是連接宏觀環(huán)境與微觀細(xì)胞響應(yīng)的關(guān)鍵橋梁。

 

精確界定有孔蟲的體內(nèi)微棲息地：傳統(tǒng)的采樣方法只能大致估計(jì)沉積物的氧化還原分層。而Unisense微電極能夠以高空間分辨率（100-200 μm） 測(cè)量孔隙水中溶解氧的垂直剖面（圖2）。這使得研究者能夠精確知道每個(gè)有孔蟲個(gè)體在被固定前所處的真實(shí)氧氣環(huán)境——是嚴(yán)格缺氧（O? = 0）還是微含氧。這種精確性對(duì)于后續(xù)將超微結(jié)構(gòu)變化與特定的氧化還原條件直接關(guān)聯(lián)起來至關(guān)重要，避免了因棲息地誤判而導(dǎo)致的錯(cuò)誤結(jié)論。

為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)提供可靠的環(huán)境控制與監(jiān)測(cè)：在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中（實(shí)驗(yàn)1, 2, 3），Unisense微電極被用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和確認(rèn)培養(yǎng)容器中的氧氣濃度，確保“缺氧”處理組確實(shí)達(dá)到了目標(biāo)缺氧水平（如O? < 0.5 mg/L），而“含氧”對(duì)照組保持充足的氧氣供應(yīng)。這保證了實(shí)驗(yàn)條件的可控性和可重復(fù)性，使得觀察到的超微結(jié)構(gòu)差異能夠明確地歸因于氧氣 availability 的變化，而非其他未知因素。

 

將細(xì)胞水平的響應(yīng)與生態(tài)系統(tǒng)過程聯(lián)系起來：通過微電極剖面，研究者發(fā)現(xiàn)瓦登海沉積物的氧氣滲透深度很淺，但深層缺氧區(qū)仍有硝酸鹽生成（圖2），這表明沉積物中存在復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程（如硝化/反硝化）。這種環(huán)境背景信息有助于理解和解釋為什么在缺氧環(huán)境中，有孔蟲可能需要與具有特殊代謝功能（如反硝化）的細(xì)菌共生，為在超微結(jié)構(gòu)水平上觀察到的細(xì)菌內(nèi)生體現(xiàn)象（圖7） 提供了合理的生態(tài)學(xué)背景。

 

綜上所述，丹麥Unisense氧微電極的應(yīng)用，使本研究從傳統(tǒng)的相關(guān)性描述，上升到了機(jī)制性的因果探索。它提供了確鑿的環(huán)境證據(jù)，確保了野外觀察和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，從而有力地支撐了關(guān)于有孔蟲Ammoniaspp. 通過改變細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)進(jìn)入休眠狀態(tài)以耐受缺氧這一核心結(jié)論的可靠性。