蝉花外菌膜对细菌的生物滤过作用研究

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蝉花在自然生长过程中会形成由菌丝特化而成的菌膜结构,对蝉花的生长发育有着重要作用。本研究以虫生真菌蝉花为研究材料,通过高通量测序技术了解蝉花在土壤和空气环境中的细菌群落差异以及细菌群落在不同生长阶段的变化规律,并对其潜在功能进行预测;然后观察蝉花在土气环境下菌膜的表观形态;再利用蝉花菌膜作为过滤介质对土壤细菌进行过滤,验证其是否对环境细菌具有选择滤过作用;最后通过稳定同位素15N标记技术对蝉花和土壤进行双向标记,探明蝉花菌膜是否对内外环境中的氮元素具有转运功能以维持自身营养平衡。得到以下结果:(1)不同栽培环境和不同阶段的蝉花内菌核及菌膜共检测到41门101纲202目429科953属1785种3850个OTUs。蝉花僵虫期以沙雷氏菌属(Serratia)、和肠球菌属(Enterococcus)为优势属;无菌蝉花菌膜形成期内菌核中无色杆菌属(Achromobacter)和西地西菌属(Cedecea)占优势,菌膜以沙雷氏菌属和假单胞菌属(Pseudomonas)为优势类群;蝉花成熟期内菌核以无色杆菌属为主要优势细菌;菌膜细菌群落主要以沙雷氏菌属占优势。覆土蝉花菌膜形成期内菌核以假单胞菌属为优势属,成熟期内菌核以无色杆菌属为优势细菌,两阶段菌膜细菌群落组成相似,主要由沙雷氏菌属和链霉菌属(Streptomyces)等组成。不同栽培环境中各阶段的蝉花细菌群落优势类群各有特点,蝉花会选择环境细菌和调控自身细菌群落结构,以维持微生态系统的稳定。(2)Venn分析结果显示蝉花细菌群落丰度随其生长发育过程呈先增多后减少的趋势;且在不同环境中生长的时间越久,其细菌群落组成差异越大。其中无色杆菌属、沙雷氏菌属、假单胞菌属、西地西菌属等22属细菌类群参与了蝉花生长发育的全过程,它们与蝉花的生长发育密切相关,有的可能参与其对寄主的侵染过程,有的可影响其活性物质的产生或含量。PICRUSt预测结果显示蝉花细菌群落的潜在功能基因大多与物质能量的代谢运输、细胞的行为发生及调控等功能相关,对蝉花的个体发育及活性物质的产生具有重要作用。(3)对蝉花菌膜表观形态进行观察,蝉花菌膜表现为疏水性,这有助于其分生孢子粘附于昆虫表皮并影响毒力,是蝉花生存和适应环境的关键;无菌玻璃瓶栽培的蝉花菌膜菌丝排列较为紧密,而覆土栽培的蝉花菌膜菌丝排列较为杂乱,前者菌膜密度大于后者,这与其生长环境相关。蝉花菌膜菌丝间的“H”型融合菌丝有利于其菌株或菌丝间的基因交流和信号转导。(4)通过稳定同位素15N标记验证了蝉花对N元素的转运能力,结果表明蝉花菌膜菌丝对氮元素具有一定的转移运输能力,菌丝可将虫体内氮元素转移至外菌膜中。无菌栽培蝉花菌膜可滤过土壤中的大部分细菌,推测由于蝉花菌膜菌丝高密度的排列方式可有效阻隔外界病原菌进入虫体,保证自身不受外界病原菌的侵害。蝉花处于不同生境细菌群落组成差异较大,不同生长阶段也有不同的优势细菌类群,这些细菌发挥不同的生态功能,表明蝉花可选择环境微生物和调控自身微生物结构以利于个体发育。其菌膜的疏水性、较大的菌丝密度和“H”型融合菌丝是其适应环境和生存的关键;另外,其菌丝对氮元素的吸收转移其生长提供了营养保障,对细菌的选择滤过作用可抵御外界病原菌的侵害。
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