Imaging of Cellular Oxidoreductase Activity Suggests Mixotrophic Metabolisms in Thiomargarita spp.

細胞氧化還原酶活性成像揭示硫珠菌屬的混合營養代謝模式

來源：mBio, Volume 8, Issue 6, 2017, Article e01263-17

《微生物》，第8卷第6期，2017年，文章編號e01263-17

 

摘要：

摘要說了這篇論文研究了一種新型應用四唑染料的方法，通過測量細胞氧化還原酶活性來探究Thiomargarita spp.的代謝。Thiomargarita是已知最大的細菌，尚未被純培養，但個體細胞大，允許進行時間序列實驗或單個分選用于組學研究。論文使用四唑-甲臜染料結合顯微鏡，在無細胞分裂觀察的情況下追蹤代謝響應，并能區分Thiomargarita細胞與其他附著微生物的代謝。結果表明，Thiomargarita在無氧條件下代謝最活躍，能響應多種電子供體，支持其代謝可塑性和混合營養代謝，與基因組學研究一致。

 

研究目的：

研究目的是開發一種培養獨立的方法，使用四唑染料成像技術來驗證Thiomargarita spp.的代謝潛力，特別是其混合營養能力，以補充基因組學數據，并探究其在各種氧條件下的代謝響應。

 

研究思路：

研究思路是先利用Thiomargarita細胞的大尺寸優勢，使用四唑染料（如Dye H）在微孔板中進行培養實驗，通過顯微鏡成像個體細胞的染色變化來測量氧化還原酶活性。實驗設置不同氧條件（有氧、低氧、無氧）和添加多種底物（如琥珀酸、乙酸鹽、檸檬酸鹽、甲酸鹽、硫代硫酸鹽、H2、H2S），并包括對照組（如空鞘、硅藻碎片）。使用圖像處理軟件（如ImageJ）量化染色強度變化，統計分析與對照組差異。同時，使用Unisense氧微電極確認氧條件，確保實驗準確性。最后，將結果與基因組數據對比，驗證代謝可塑性。

 

測量的數據及研究意義：

1 測量了Thiomargarita細胞在不同底物和氧條件下的四唑染料染色強度變化，通過顯微鏡成像量化亮度 reciprocal intensity，來自圖1、圖2、圖3和表1。研究意義是直接可視化細胞代謝活性，驗證Thiomargarita能利用多種有機和無機底物，支持其混合營養代謝假說，并顯示無氧條件下代謝最活躍，這與它們在自然沉積物中的生境一致。表1數據提供了第7天染色強度的統計結果，顯示在不同條件下與對照組的顯著差異，研究意義是定量證實代謝響應的可靠性，為基因組推斷提供實驗證據。

 

 

 

 

 

2 測量了附著微生物（epibionts）的染色響應，來自圖1G和1L。研究意義是區分Thiomargarita細胞與附著細菌的代謝，顯示可能存在營養相互作用，擴展了對微生物共生關系的理解。

3 測量了細胞崩潰情況，來自圖1D。研究意義是表明染色活性與細胞存活相關，氧化還原酶活性不能防止細胞崩潰，但可作為存活指標。

 

結論：

得出了結論是Thiomargarita spp.具有代謝可塑性，在無氧條件下能利用多種底物進行混合營養代謝，支持基因組學發現；四唑染料成像方法能有效驗證未培養微生物的代謝潛力，且可擴展到其他混合群落研究。該方法為培養獨立生理學研究提供了新途徑。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義在于確保實驗氧條件的準確控制和驗證，從而增強代謝響應結果的可靠性。在論文中，Unisense氧微電極用于確認微孔板中有氧處理組的氧存在和混合情況（材料和方法部分提到），這直接支持了不同氧條件下代謝響應的比較。例如，在有氧條件下，Unisense電極驗證了氧的存在，使得Thiomargarita對H2S等底物的弱響應得以準確歸因于氧條件，而非實驗誤差。這種測量意義是關鍵性的，因為它提供了客觀的氧濃度數據，消除了條件不確定性，從而使得四唑染料染色結果更能真實反映代謝活性，為研究Thiomargarita的氧耐受性和代謝偏好提供了堅實基礎。此外，Unisense電極的高靈敏度有助于檢測低氧環境，確保低氧實驗條件的有效性，從而全面評估代謝可塑性。