細菌曼波
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像爆竹一樣分裂的細菌

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研究原文 Zhou et al. 2016. Fast mechanically driven daughter cell separation is widespread in Actinobacteria. mBio 7:4; doi:10.1128/mBio.00952-16
陳俊堯's insight:
講到細胞分裂,你一定覺得這應該是早就在顯微鏡問世沒多久就開始被仔細觀察的事。課本裡告訴你細胞怎麼做有絲分裂,酵母菌怎麼長出小苞行出芽生殖,細菌先在拉長的細胞中間出現一圈蛋白,環狀收縮後切開細胞,像你可以用細線繞住麵團,再收緊把它切開一樣。課本裡就有的東西,簡單。 

但事實上它並沒有這麼簡單。Staphylococcus 被發現在細胞裂時不是優雅地收線分離,而比較像是壓力上升到臨界點後突然炸開跑出一個新細胞。整個過程在短短的百分之一秒內完成,在顯微鏡底下,就像是看小型爆裂物爆開一樣有趣。因為每次炸開的方向不同,也讓 Staphylococcus 細胞的排列呈現葡萄狀。  

這篇研究想問一個問題: 只有 Staphylococcus 會這樣分裂嗎? 它的親戚也用這樣的方式分裂嗎? 還是只要是圓圓的球菌就要用這樣方式分裂? 他們用的方戋很簡單,就是以高速攝影的方式觀察細胞分裂。簡單的方法也可以看出大學問。他們發現 Firmicutes 門裡只有 Staphylococcus 用這種方法來分裂。那還有沒有別的細菌也這樣分裂呢? 他們發現 Neisseria 和 Moraxilla 這兩種革蘭氏陰性球/球桿菌是優雅地拉線分開,所以爆裂法與形狀無關。有趣的是,他們觀察的另一群 Actinobacteria 革蘭氏陽性菌都以爆裂法分裂,似乎是這個門的菌種都有的共同特徵。在發生爆裂前細胞外會先出現一排小洞,似乎在為待會的爆裂位置預做準備。

最有趣的是絲狀的 Streptomyces,會在長成長長的絲狀隊伍後再突然間爆成數段,變成很多個小小的細胞。請記得看原研究提供的影片哦。影片連結 http://mbio.asm.org/content/7/4/e00952-16.full#F9


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住在腸子裡也要會固氮

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研究原文: 
Igai K, Itakura M, Nishijima S, Tsurumaru H, Suda W, Tsutaya T, Tomitsuka E, Tadokoro K, Baba J, Odani S, Natsuhara K, Morita A, Yoneda M, Greenhill AR, Horwood PF, Inoue J, Ohkuma M, Hongoh Y, Yamamoto T, Siba PM, Hattori M, Minamisawa K, Umezaki M. Nitrogen fixation and nifH diversity in human gut microbiota. Sci Rep. 2016 Aug 24;6:31942. 

Photo credit: akira535. CC0. https://goo.gl/baFkbs
陳俊堯's insight:
去年在日台韓微生物生態年會裡認識日本東北大學南澤究(Kiwamu Minamisawa)教授,聽他開心地談腸道菌的新研究,今年終於看到研究成果發表了。

在這個研究裡他們收集了巴布亞新幾內亞原住民與日本人的糞便樣本,檢驗裡面是否有固氮菌存在。固氮菌的存在與環境裡氮含量有關,腸子裡含氮化合物很多,進行固氮反應應該沒什麼好處,預期是不會找到固氮菌。而兩個地區的人飲食習慣不同,就算有固氮菌也應該在數量和種類上有很大差異。  

結果呢? 他們以穩定同位素 15N2 來檢驗固氮活性,發現的確有菌在固氮。他們用 acetylene reduction test 檢測也發現的確有固氮活性。他們利用 PCR 及 RT-PCR 確認真的有固氮基因 nifH 存在,而且這些基因是有表現出來,細菌是有在用這些基因的。比對 nifH 基因後,他們發現這些在腸子裡固氮的細菌可能是 Klebsiella 和 Clostridiales (包括 Lachnospira, Ruminococcus) 的菌種。

那這些固定下來的氮有多少,我們可以靠它們固氮生活嗎? 答案是不行的,因為固定下來的量估計只佔人每天需要量的 0.01% 而已。這篇研究還不是直接測量腸道內的情形,所以沒有直接證據來說細菌真的在腸道裡會固氮,但是由於固氮活性隨排便後時間長度快速下降,推論在腸道裡進行固氮的機會很大。不過,這些菌為什麼需要固氮,以及為什麼在環境中有氨的狀況下還會進行固氮,會是未來直接深究的議題。
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你肚子裡有沒有解咖啡菌?

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Ceja-Navarro JA, Vega FE, Karaoz U, Hao Z, Jenkins S, Lim HC, Kosina P, Infante F, Northen TR, Brodie EL. Gut microbiota mediate caffeine detoxification in the primary insect pest of coffee. Nat Commun. 2015 Jul 14;6:7618. http://goo.gl/nIqEme 

Photo credit: Stanislaw Szydlo. CC BY-SA 3.0. https://goo.gl/6sBL2Z
陳俊堯's insight:
天天喝咖啡,有沒有讓你覺得咖啡越來越沒用了呢? 人的問題比較複雜,在昆蟲或許有個簡單的答案。 

有什麼昆蟲會天天喝咖啡的呢? 應該沒有。可是咖啡樹上的確有昆蟲危害。研究人員在八個咖啡產地收集了咖啡果小蠹,想知道牠們為什麼可以攻擊咖啡果實,卻不會被高濃度咖啡因毒死。在分析它們腸道裡的細菌之後,在裡面找到一些能分解咖啡因的細菌。他們嘗試由腸道分離能分解咖啡因的細菌,發現主要菌種都是來自 Pseudomonas 和 Pantoea 各佔了四成多,其中又以 P. fulva 為最多。在腸道裡數量多,未必就是幫助昆蟲解毒的要角。研究人員接著用抗生素培養無菌蟲,再加入 P. fulva。這些只帶一種細菌的昆蟲在吃了含咖啡因的食物後,排出的糞便裡已經完全沒有咖啡因,顯然光靠這一種菌可以幫助昆蟲把它分解掉了。
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土裡的氫氣緊急維生裝置

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Greening C, Constant P, Hards K, Morales SE, Oakeshott JG, Russell RJ, Taylor MC, Berney M, Conrad R, Cook GM. Atmospheric hydrogen scavenging: from enzymes to ecosystems. Appl Environ Microbiol. 2015 Feb;81(4):1190-9. (review) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25501483


Photo credit Bensaccount (CC BY-SA 3.0) https://goo.gl/Xf23Se

陳俊堯's insight:
氫氣是項重要的能源。對陸地細菌來說,從土壤深處厭氧區發酵反應產生的氫氣是個極有利的能源,但是到底是誰把這些氫氣用掉的呢? 

這些年的研究發現,豆科根附近或潮濕土壤裡氫氣濃度高的時候,具有 group 1 [NiFe]-hydrogenases 的 Proteobacteria 是主要的氫氣使用者。但是在一般土壤氫氣濃度低的狀況時,在土壤裡用掉氫氣的是 Actinobacteria 裡的一些菌種,分佈在 Streptomyces、Mycobacteria 和 Rhodococcus。這些細菌使用 group 5 [NiFe]-hydrogenases,hhyL + hhyS (large and small subunits) 來利用氫氣為能源,有助於在養份低的狀況下存活。

土壤中大部份的細菌都在半死不活的不活化態,氫氣可能是支持它們活下去的重要能量來源。
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截首蟻保護共生細菌的奇特裝置

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Lanan et al. A bacterial filter protects and structures the gut microbiome of an insect. The ISME Journal (2016) 10, 1866–1876; doi:10.1038/ismej.2015.264 http://goo.gl/09TEvx ;


 Photo credit: The photographer and www.antweb.org https://goo.gl/dLJuhl CC BY-SA 3.0

陳俊堯's insight:
在樹上生活的截首蟻,外型長得相當奇特,頭上像是頂了個大圓盤,用來把入侵的敵人擋在巢外,也可以在意外摔下樹時調整落下時的滑翔方向。這篇新的研究發現牠們的肚子裡的構造也很不尋常。在腸道前的 proventriculus 只允許 0.2 um 以下的東西通過並進入腸道。牠們在化蛹期(pupation)時讓共生菌進駐腸道,接著 proventriculus 構造形成,不再讓外界細菌進入腸道的中後段,只有小碎片或養份分子可以通過。這樣可以確保專一菌相的形成,強化宿主與共生菌間的依存關係。
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游牧民族 Lactobacillus plantarum 

游牧民族 Lactobacillus plantarum  | 細菌曼波 | Scoop.it

Martino ME, Bayjanov JR, Caffrey BE, Wels M, Joncour P, Hughes S, Gillet B, Kleerebezem M, van Hijum SA, Leulier F. Nomadic Lifestyle of Lactobacillus plantarum Revealed by Comparative Genomics of 54 strains Isolated from Different Habitats. Environ Microbiol. 2016 Jul 16. doi: 10.1111/1462-2920.13455. 

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27422487

Source of photo: https://goo.gl/VNif96


陳俊堯's insight:
Lactobacillus 乳酸桿菌是很有趣的一群細菌。本篇主角 L. planarum 出現在各種醃漬食物上,蔬果,以及動物腸道裡。這些棲地大不相同,但是 L. planarum 一樣活得好好的。到底住在不同棲地裡的 L. planarum 是各有適應當地環境的基因的同種細菌,或者是種多才多藝的萬事通?  

這作者解了 43 株菌的基因體序列,加上前人已經解了的 11 株,一共比對了 54 個基因體。如果能找到棲地和某些基因的專一性,就代表這菌種在不同棲地各有特化。如果沒有專一性,或許說明了這菌是個全才。 

他們收集的菌株來自發酵牧草、乳製品、水果、肉類、人體和果蠅。當作者把有哪些基因跟來自哪種棲地之間的關係,卻發現很難找到只在特定棲地出現的基因。這說明了在這種細菌並沒有為了特定棲地的適應而出現的基因,也沒有因為得到什麼基因而能佔據特定棲地的現象。於是這菌比較可能是個全才,因為本領高強,所以到處當游牧民族。 
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青海湖裡的 SAR11 和 Cyanobium 跟海洋裡的親戚有什麼不同?

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Environ Microbiol Rep. 2016 Apr 15. doi: 10.1111/1758-2229.12408. [Epub ahead of print]


Photo: public. https://goo.gl/hXH1GQ

陳俊堯's insight:
西藏高原上的青海湖是個內陸貧養鹹水湖。鹹水湖的化學條件和海水相似(salinity 2.79%)。湖中主要細菌為 Alphaproteobacteria 裡的 SAR11 IIIa (14%) 和 Cyanobacteria 裡的 Cyanobium (14%)。這兩群菌在海洋裡都有,而且和青海湖的菌相似度高達 98%。作者比對了基因體序列,發現 SAR11 的碳代謝,Cyanobium 的氮代謝基因在兩地菌株裡維持不變,但是青海的 SAR11 修補 DNA 的酵素受到 positive selection,顯然在高山 UV 的攻擊下出現特化。這個故事告訴我,離海很遠的地方也會被飛來的海水菌入侵。把同樣的細菌放在不同的地方,是會因為那個地方的特性而出現演化的。
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The ISME Journal - Abstract of article: The methylaspartate cycle in haloarchaea and its possible role in carbon metabolism

The ISME Journal - Abstract of article: The methylaspartate cycle in haloarchaea and its possible role in carbon metabolism | 細菌曼波 | Scoop.it
The ISME Journal: Multidisciplinary Journal of Microbial Ecology is the official Journal of the International Society for Microbial Ecology, publishing high-quality, original research papers, short communications, commentary articles and reviews in the rapidly expanding and diverse discipline of microbial ecology.
陳俊堯's insight:
對細菌來說,自然界裡 2C 的 acetate 可以 acetyl-CoA,再加上 4C 的 oxaloacetate 變成 6C 的 citrate,進入 glyoxylate cycle 或 TCA cycle 來利用。Haloarchaea 走不一樣的路,它們的 isocitrate 先變 5C 的 alpha-ketoglutarate 後先變 5C 的 glutamate 再變成 5C 的 methylaspartate。這條路最後裂出 2C 的 glyoxylate,再加一個 acetyl-CoA 後變成 malate,另一半是 3C 的 propionyl-CoA,繼續變為 succinate 後走 TCA cycle。 

上述反應在過去只是推論,這篇研究證實了真的有執行這些反應的基因存在,也證實 Haloarchaea 雖然也是經由 glyoxylate 來利用環境裡的 acetate,但走的是個與眾不同的途徑 methylaspartate cycle。有了基因資料,作者在比對了目前 Haloarchaea 的資料後發現有 methylaspartate cycle 的菌多半有製造 polyhydroxyalkanoate 的基因,因而推論 Haloarchaea 可能利用 methylaspartate cycle 來利用 acetate 並將它轉換為 polyhydroxyalkanoate 來做為碳源的儲存分子。
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Linking Jasmonic Acid Signaling, Root Exudates, and Rhizosphere Microbiomes. - PubMed - NCBI

Linking Jasmonic Acid Signaling, Root Exudates, and Rhizosphere Microbiomes. - PubMed - NCBI | 細菌曼波 | Scoop.it
Jasmonic acid
陳俊堯's insight:

本篇研究比較了 Jasmonic acid signaling 突變株和野生型阿位伯芥的根圈菌相。突變株的根分泌物改變了,這一點也改變了出現的細菌組成。這個研究指出了件重要的原則,你改變了宿主的生理狀況,就改變了根的分泌物,也就可能造成了菌相上的改變。

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Entrapped Sediments as a Source of Phosphorus in Epilithic Cyanobacterial Proliferations in Low Nutrient Rivers

Entrapped Sediments as a Source of Phosphorus in Epilithic Cyanobacterial Proliferations in Low Nutrient Rivers | 細菌曼波 | Scoop.it
in elevated pH (>9) during daytime, and that night-time respiration causes oxygen depletion (<4 mg L
陳俊堯's insight:

河底常見暗綠或褐色,摸起來有點滑滑的 macrobial mat 蓋在石頭上。絲狀的藍綠菌 Phormidium 常常是這些 mat 裡的主要成員。在這些由細菌細絲編織成的菌毯裡常常可以看到包著小泥砂顆粒。你大概覺得這是水流帶進來卡進的髒東西,因為這樣的小顆粒在河底很多。這篇研究的結果卻告訴我們,這些小顆粒其實是細菌的養份來源。

 

這個研究團隊認為這 microbial mat 在河底曬太陽,白天陽光推動光合作用,把水裡的二氧化碳用掉,讓細菌附近的水變得偏鹼(pH >9),而到了晚上細菌還是得要繼續呼吸,產出的二氧化碳堆在 microbial mat 裡,會讓 pH 下降。他們推測 pH 的降低會幫助小顆粒裡的磷被溶出來。實際測試的結果,發現晚上在 mat 裡可用的磷含量是河水裡的 320 倍。在低養份的環境裡磷是個珍貴的資源,因為大部份的磷都不溶於水,鎖在礦沙沉積物裡。藍綠菌 Phormidium 利用晚上呼吸產生的酸來幫助溶出礦沙裡的養份,是個聰明的策略。

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The ISME Journal - Abstract of article: A novel intracellular mutualistic bacterium in the invasive ant Cardiocondyla obscurior

The ISME Journal - Abstract of article: A novel intracellular mutualistic bacterium in the invasive ant Cardiocondyla obscurior | 細菌曼波 | Scoop.it

Klein A, Schrader L, Gil R, Manzano-Marín A, Flórez L, Wheeler D, Werren JH, Latorre A, Heinze J, Kaltenpoth M, Moya A, Oettler J. A novel intracellular mutualistic bacterium in the invasive ant Cardiocondyla obscurior. ISME J. 2016 Feb;10(2):376-88. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26172209

 

照片: April Nobile, http://goo.gl/5Epz8E (CC-BY-SA-3.0)

陳俊堯's insight:

這篇研究談的是 Westeberhardia cardiocondylae 這種腸內菌科的內共生菌和螞蟻 Cardiocondyla obscurior 間的關係。

先唸一遍記住這菌屬,Westeberhardia,喂斯特波哈兒笛亞。

作者發現這菌在螞蟻幼蟲腸道裡就有,而且隨年紀增加。在變態成為成蟲之後,這種菌的數量逐漸變少,唯一例外是蟻后,它們會進入蟻后 ovary nurse cell 裡待著,然後進入卵,準備感染下一代的幼蟲。這菌到底對螞蟻有沒有好處呢? 特別是它們在成體螞蟻體內的數量逐漸變少,看起來不太重要。在解讀細菌基因體 DNA 序列後,發現這細菌有整套製造環狀氨基酸所需莽草酸循環(Shikimate pathway)的基因。動物沒有莽草酸循環的基因,所以只能從食物裡獲取環狀氨基酸。因此作者合理推論細菌進行莽草酸循環,提供 tyrosine 給宿主,幫助幼蟲製造 cuticle。變態後需求降低,細菌只需要確保自已能進入卵繼續感染下一代螞蟻就好了。

 

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Serratia marcescens: The Miracle Bacillus

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The objectives of this article are to explain the mysterious appearance of crimson-colored bacteria on food and communion bread/wafers, over the centuries, as well as to describe the biological basis
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人類歷史,記錄在細菌的屍體裡

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本文作者: 陳俊堯(慈濟大學生命科學系)

 

研究原文: Poulain AJ, Aris-Brosou S, Blais JM, Brazeau M, Keller WB, Paterson AM. Microbial DNA records historical delivery of anthropogenic mercury. ISME J. 2015 Dec;9(12):2541-50.http://www.nature.com/…/journ…/v9/n12/full/ismej201586a.htm

 

照片來源: Gord McKenna. Patterned fen / string bog, Hudson Bay Lowlands 2009 (CC BY-NC-ND 2.0) https://goo.gl/FkawJw

 

陳俊堯's insight:

工業革命後,煤裡和礦石裡的汞被趕出來排到我們的環境裡。一旦進到大氣裡,汞便得到了全球旅行的機會,自由沉降在各地。兩百年來到底有多少汞被放到大氣裡,對生態系造成了多大影響,我們只有近代的檢測數據,而過去兩百年來的變化完全沒有留下記錄。

 

不過,在加拿大安大略省的哈德生灣沿岸地區(如圖),在過去一萬年間這裡沒有受到人為污染干擾,剛好可以當做最好的自然記錄。每年湖水裡沉積物一層一層地蓋在前一年的沉積物上,而成了最好的歷史記錄。

 

人為的汞污染自大氣中沉降,掉落到地面和湖水,接觸到地面和湖底的細菌。對細菌來說汞也是個毒物,必須要靠 mer 基因操縱組的解毒機制來幫助細菌在汞毒中存活下來。於是在有汞毒的環境裡,有 mer 操縱組整套裝備的細菌可以活得比較自在。

 

這群科學家選定了三個湖,從湖底向下垂直採集底泥樣本,小心帶回實驗室一層一層分析。他們先用同位素分析來判定年代,發現 10 公分深的底泥是 1900 年留下的,而 22 公分深的底泥則是 1800 年以前留下的。在這超過 200 年的時間裡,底泥的汞含量大約增加了一倍,而且是在西元 1900 年後快速增加。如果汞含量增加,那帶有解汞毒的 mer 基因操縱組的細菌應該要變多吧? 他們檢測了不同年代底泥裡的 mer 基因操縱組裡的三個基因(merP, merT 和 merA),發現它們的數量出乎意料之外地沒有增加,在 merT 和 merA 反而變少了,大概只有百年前的 1/10。而跟解毒無關,所有細菌都有的 glnA,數量在兩百年來沒有什麼變化。

 

如果數量上沒有變多,那會不會是這些基因改變了,讓酵素解毒效能越來越好的緣故? 如果是這樣,那這兩百年來細菌解汞毒基因的序列上應該可以看到隨時間依序演化的痕跡。他們分析了不同年代底泥裡的 merA 基因序列,發現這些序列依年代明顯分群,而與解毒無關的 rpoB 基因則沒有這種趨勢。

 

在仔細分析序列後,他們在 merA 基因上找到一個可能是受到正向篩選而留下的突變。接著他們把突變位附近的胺基酸序列放進 Genbank 裡比對,發現這個突變在資料庫裡僅有零星出現,應該不會是個容易經由水平傳遞的基因,所以在底泥序列裡看到的這個突變真的是受到正向篩選而留下的結果。

 

他們由 merA 的序列變異來推估,帶有 merA 基因的耐汞細菌族群在 170-220 年前有效族群數大幅增加。這個有趣的時間點剛好是工業革命發生的時段。配合前面看到的在 merA 基因序列隨時間改變,特定位置受到正向篩選,作者推論工業革命後空氣中汞含量增加,而這增加的一點點汞沉降到湖底,造成細菌族群的改變,在湖底底泥裡被完整地保留了下來。未來呢? 這樣的技術或許可以幫助我們在 2015 年的現在,有機會仔細觀察過去數百年來的環境變遷。

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抗生素與糖尿病的風險

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研究原文 


Livanos et al. 2016. Antibiotic-mediated gut microbiome perturbation accelerates development of type 1 diabetes in mice. Nature Microbiology 1, 16140. http://www.nature.com/articles/nmicrobiol2016140

陳俊堯's insight:
科普書[不該被殺掉的微生物] 一書的作者 Martin Blaser 的新研究出爐,繼續探討書中提到的,動物在小時候服用低劑量抗生素的經驗會對健康造成的影響。

他們發現在短暫給予治療劑量抗生素之後,老鼠發生第一型糖尿病的機會上升了。他們同時發現腸道菌相改變了,腸壁黏膜固有層(lamina propria)內的 Th17 和 Treg 兩類調控免疫反應的 T 淋巴球的數量變少,腸道內與發炎有關的 serum amyloid A 濃度也變少,推測應該是菌相改變後影響到腸道內的免疫反應與平衡。另外,細菌脂肪代謝基因及宿主的類固醇合成基因的表現量也都出現改變。不過他們的研究不是在人身上做的,而是利用容易得到糖尿病的 NOD 突變鼠當材料才容易看出結果,但是因為身體體制相似,看到老鼠得病機會上升,也就代表在人身上的風險增加。

 不要小看小時候感冒吃個藥,這可是會引起腸道菌相改變、擾動宿主免疫和代謝,最後增加糖尿病風險的行為。可是你又不能讓生病的小朋友冒著被感染的危險不吃藥對吧? 藉由這些研究,希望在不久的未來,我們有機會找出解套的好方法。
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同一門的細菌真的有相似的生理活性嗎?

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原始論文 

Morrissey EM, Mau RL, Schwartz E, Caporaso JG, Dijkstra P, van Gestel N, Koch BJ, Liu CM, Hayer M, McHugh TA, Marks JC, Price LB, Hungate BA. Phylogenetic organization of bacterial activity. ISME J. 2016 Sep;10(9):2336-40. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26943624

陳俊堯's insight:
來看一個吵不完的問題。微生物生態界長年來在面對一個微生物群聚時,總是看得到細菌們的名單而很難真的看到每種細菌的生理活性。迫於無奈,我們總是安慰自己同類細菌的生理比較像,所以我們可以從這些細菌名單,根據跟它們相近的已知種類的生理活性,來推論我們看到的細菌到底有什麼本領。雖然好像在能驗證的狀況下這個方法還算成功,不過老實說,到底在細菌的親緣關係和它們的生理活性之間是不是有很大的關連呢? 

這是個大問題,但是沒少人能正面用數據回答它。最常看到的方法是加某種養份培養後,哪群菌變多了就猜這群菌對這種養份的利用能力特別好。或不然,就是在 metagenome 裡看到這群菌都有能利用這種養份的基因,用這些間接證據來推論。 

現在有了一篇研究要來回答這個問題了。在這篇研究裡作者看了土壤裡到底是誰在認真呼吸。他們在土壤裡加了定同位素標定的水和葡萄糖,接著分離變重的 DNA 來看是誰用到了這些含同位素的分子。他們用 O18-H2O 標定所有生長的細菌,用 C13-glucose 標定利用了葡萄糖的細菌,所以所有努力以任何一種碳源生長的細菌會帶有含 O18 的 DNA,而能利用葡萄糖的細菌則會帶有含 C13 的 DNA。接著他們把所有細菌的 DNA 以密度離心區分出含 O18,含 C13,以及含 O18 和 C13,分別來看菌群在 7 天內持續生長,能利用葡萄糖,或能利用葡萄糖生長的能力上,是否有隨著親緣關係而有變化的情形。 

結果是有的,不同菌群在這特性上真的有明顯不同。作者用了兩種參數檢測菌群數量的變化,都發現與親緣關係有關,顯示從菌群來猜代謝特性是個合理的方法。但是要用界門綱目科屬種的那一層來猜才合理呢? 從過去傳統細菌學的認知裡我們知道同屬細菌的生理特性類似,但是這種類似可以往上推到哪一層就沒把握了。從作者的數據來看,在門這個層次親緣關係大概能解釋兩成左右的變異,到科的層次大約可以上升到六成左右。未來如果要解釋土壤裡細菌的生理特性,可能要到科的層級,講出來的話比較可能是對的哦。
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線蟲怎麼辨別出毒細菌?

線蟲怎麼辨別出毒細菌? | 細菌曼波 | Scoop.it

Ballestriero F, Nappi J, Zampi G, Bazzicalupo P, Di Schiavi E, Egan S. Caenorhabditis elegans employs innate and learned aversion in response to bacterial toxic metabolites tambjamine and violacein. Sci Rep. 2016 Jul 7;6:29284. doi: 10.1038/srep29284. http://goo.gl/4NjYgO ;


 Photo credit: National Human Genome Research Institute. https://goo.gl/5UNoNHBacteriovorus eukaryotes such as nematodes are one of the major natural predators of bacteria.

陳俊堯's insight:
細菌在土壤裡有很多敵人。像是線蟲就是拿細菌填飽肚子的,細菌想活就得設法不被找到或備好武器禦敵,利如使用毒素來當化學武器。線蟲在土裡到處鑽,如果不想誤吃大量毒素而死,就要在偵測到毒素時就趕快轉向離開。可是構造簡單的線蟲要怎麼知道該調頭了呢? 

從過去對線蟲行為的認識,我們知道線蟲避害的行為可以是天生的,對某些有害物質的躲避行為是天生的,一偵測到就知道要跑。有的行為是後天學習的,第一次吃下肚不舒服後,會把這個氣味跟肚子痛連結起來,下次再偵測到這氣味就知道要敬而遠之。這篇研究使用兩種土壤裡細菌會使用的化學武器 tambjamine YP1 和 violacein 來測試線蟲 Caenirhabditis elegans 的反應。結果發現,線蟲天生就知道要閃開 tambjamine,但是對於 violacein,就要先吃過苦頭,才學會聞到味道時要轉彎。同樣是細菌的化學武器,線蟲卻是用兩種不同機制來處理的。
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快轉鞭毛甩油泡的 Vibrio fischeri

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Aschtgen MS, Lynch JB, Koch E, Schwartzman J, McFall-Ngai M, Ruby E. Rotation of Vibrio fischeri Flagella Produces Outer Membrane Vesicles That Induce Host Development. J Bacteriol. 2016 Jul 28;198(16):2156-65. http://goo.gl/KCy6w1&nbsp;


 Photo credit: Nhobgood Nick Hobgood (CC BY-SA 3.0) https://goo.gl/CO4egU&nbsp;


陳俊堯's insight:
McFall-Ngai's Lab 和 Ruby's Lab 又出 Vibrio-squid 系列續集。在這次他們看的是 Vibrio fischeri 鞭毛上發生的事。Vibrio 鞭毛外包覆一層 outer membrane,功能未知。這篇研究裡他們先是發現 V. fischeri 的 outer membrane vesicle 可以引起發光器的進一步發育,再進一步找出 OMV 膜上的 OmpU 是引起反應的分子。這些 OMV 是來自鞭毛外的膜,在鞭毛快速轉動時被甩出來,變成小型的 OMV 來發揮作用。

未來 Vibrio 的實驗可要注意了,這篇在培養上清液裡的 lipid 幾乎都是 OMV,所以快轉鞭毛甩油泡可能是在告訴動物"我來了"的訊息。
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米蟲共生菌 Sodalis pierantonius 的秘密

米蟲共生菌 Sodalis pierantonius 的秘密 | 細菌曼波 | Scoop.it
Clayton AL, Jackson DG, Weiss RB, Dale C. Adaptation by Deletogenic Replication Slippage in a Nascent Symbiont. Mol Biol Evol (2016) 33 (8): 1957-1966. doi: 10.1093/molbev/msw07 http://mbe.oxfordjournals.org/content/33/8/1957

Photo credit: Olaf Leillinger. https://goo.gl/8ZWjE8 (CC BY-SA 2.5)
陳俊堯's insight:
找隻昆蟲共生是個特別的生活方式。共生菌通常都會出現一個共同現象-基因體很小。這很合理,因為共生菌生活裡的很大一部份的需求直接靠宿主提供,不需要那麼多基因。可是到底是什麼力量讓這些原本在自由生活時有在用的基因慢慢壞掉然後被踢掉哩?

這篇研究比較了同屬的兩種菌,一種是自由生活的 Sodalis praecaptivus (Spr),另一種是跑去跟米蟲共生的 Sodalis pierantonius (Spi)。作者比較兩種菌的基因體序列,發現 Spi 跟 Spr 相比,突變大多出現在有重複序列的地方,過去研究知道這樣的序列會讓 DNA polymerase 比較容易停住而出現滑動而少掉中間一段序列。檢視其它基因發現 Spi 少了一些 DNA 重組機制相關的基因。從 Spr 和 Spi 的比較可以看出,Spi 可能因為複製時發生滑動而出現 deletion,而這錯誤又沒辦法經由 DNA recombination 及時修復,可能就會慢慢讓基因體變小。
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Vibrio anguillarum 面對 tropodithietic acid 的實驗演化之旅

Vibrio anguillarum 面對 tropodithietic acid 的實驗演化之旅 | 細菌曼波 | Scoop.it
Rasmussen et al. 2016. Vibrio anguillarum Is Genetically and Phenotypically Unaffected by Long-Term Continuous Exposure to the Antibacterial Compound Tropodithietic Acid . Appl. Environ. Microbiol. 82(15): 4802-4810. http://aem.asm.org/content/82/15/4802.short?rss=1

Photo source: http://goo.gl/L8fyFO
陳俊堯's insight:
在水產養殖業裡,抗生素是對付病原菌的標準武器。近年越來越多人轉往發展利用其它細菌來抑制病原菌的生物防治法。海洋裡 Roseobacteria 是一群能抑制其它細菌生長的細菌,可以用來對付海水魚病原 Vibrio anguillarum。Roseobacter 會製造 tropodithietic acid (TDA)來抑制其它細菌,如果我們用它來對付病原,會不會一樣有抗藥性的問題呢? 作者採用了實驗演化的策略,讓 Vibrio anguillarum 在 TDA 裡培養 90 天(數百代)後,檢視病原菌是否出現變化。他們發現沒有產生任何抗藥性和生理上的改變,在解基因體序列後也發現只有少數基因(2-6個)出現突變。結論是,使用 Roseobacter 來控制 V. anguillarum 可能是個不錯的方法,因為 TDA 不容易造成病原的改變。 
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Bacteroides fragilis 能利用 Bifidobacterium 的 exopolysaccharides

Bacteroides fragilis 能利用 Bifidobacterium 的 exopolysaccharides | 細菌曼波 | Scoop.it
Rios-Covian et al. Bacteroides fragilis metabolises exopolysaccharides produced by bifidobacteria. BMC Microbiology (2016) 16:150. 

Photo credit: Nathan Reading (CC BY 2.0) https://goo.gl/6OZQHv

陳俊堯's insight:
腸道主要菌群 Bacteroides (類桿菌)以善於利用各種多醣而聞名,過去已被證實能利用植物多醣和宿主的黏液多醣。這篇研究發現 Bacteroides fragilis 可以利用 Bifidobacterium (比菲德氏菌)分泌的胞外多醣做為碳源來生長,代謝產生三碳的 propionate 和兩個碳的 acetate。 

作者認為,這個結果告訴我們腸道細菌間可以因為胞外多醣而有新的依存關係,Bacteroides 可以從 Bifidobacterium 得到好處。 

我的疑問是,Bifidobacterium 為什麼願意把 EPS 給 Bacteroides 哩? 難道有我們還不知道的利益交換嗎? 第二個想到的是,cyanobacteria 也重複利用 EPS,這或許是個普遍現象,土壤裡的菌可能也有這樣的狀況,值得注意。
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Scale-dependent effects of climate and geographic distance on bacterial diversity patterns across northern China's grasslands. - PubMed - NCBI

Scale-dependent effects of climate and geographic distance on bacterial diversity patterns across northern China's grasslands. - PubMed - NCBI | 細菌曼波 | Scoop.it
FEMS Microbiol Ecol. 2015 Dec;91(12). pii: fiv133. doi: 10.1093/femsec/fiv133. Epub 2015 Oct 29. Research Support, Non-U.S. Gov't
陳俊堯's insight:

在生物地理尺度來看土壤菌相的變化。這篇研究沿一條 3700 公里長的穿越線採樣,看上面 54 個樣點的土壤菌相如何改變。他們發現 (1)各地有自己特有的菌相; (2)氣候是重要的影響因子,乾旱程度尤為重要; (3)離越遠的樣點菌相差越多。

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Lignin engineering in field-grown poplar trees affects the endosphere bacterial microbiome. - PubMed - NCBI

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Cinnamoyl-CoA reductase
陳俊堯's insight:

內共生菌住在植物體內,會受到宿主多大的影響呢? 不同基因型的宿主帶的內共生細菌會是相同的嗎? 本篇作者找了楊樹的野生型和少了 cinnamoyl-CoA reductase 的突變株,看看少了一個基因改變代謝後,內生菌會不會受到影響。Cinnamoyl-CoA reductase 是在合成 lignin 時的主要酵素,如果少了,細物體內環狀化合物不能變成 lignin,便會開始累積。在檢測植物根裡、莖裡或葉片裡的內共生菌數時,能利用環狀化合物的細菌變多了。但是在植物體外的根圈裡的菌量則沒有明顯改變。在檢驗這些菌相的代謝活性時,他們發現在突變株裡住著的細菌們,和在野生型控制組的樹裡住的細菌具有不同的代謝能力。結論,植物宿主的基因型會影響體內共生菌的數量與代謝特性。

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The ISME Journal - Experimental insights into the importance of aquatic bacterial community composition to the degradation of dissolved organic matter

The ISME Journal - Experimental insights into the importance of aquatic bacterial community composition to the degradation of dissolved organic matter | 細菌曼波 | Scoop.it
The ISME Journal: Multidisciplinary Journal of Microbial Ecology is the official Journal of the International Society for Microbial Ecology, publishing high-quality, original research papers, short communications, commentary articles and reviews in the rapidly expanding and diverse discipline of microbial ecology.
陳俊堯's insight:

水裡有很多微生物。對這些微生物來說 dissolved organic matter (DOM)是主要的碳源,但是我們對於這些微生物如何利用 DOM,其實還是沒什麼研究的。

 

這個研究團隊找了四個有機質種類數量都不一樣的水體: 山上充滿腐植質的湖,河流中段及河口,再加一個地下水。他們先搞清楚樣本裡的菌相組成,再把這四種樣本裡的細菌過濾出來分別丟進土壤養份裡,看看在培養一陣子之後,養份裡有哪些 DOM 被用掉了。他們的研究結果發現,各水域裡的微生物都很會利用小分子有機物,但是只有部份水域的微生物能利用大分子有機物。親緣關係近的細菌,能分解有機物的種類可能差很多。從數量的相關性來推論的話,利用小分子的主要菌種們屬於 Betaproteobacteria,利用大分子的屬於 Alphaproteobacteria 和 Betaproteobacteria。

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人類病原與植物病原間的合作

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陳俊堯's insight:

自從生菜上被發現會出現人類病原後,細菌學家開始注意這個不尋常的現象。這個不尋常在於一種會感染人的細菌,居然能夠在一種完全不一樣的生物(植物)上活得好好的,而不只是短時間內留在上面被人吃到。細菌很小,只留下存活時必要的能力,所以在菜葉上應該很難活下去。到底為什麼這些人類病原菌能長時間在植物上休養生息,不管是只想到自己的安全還是想要認識細菌,絶對是個大家都想知道的答案。

 

其中一個可能是有盟友在幫助它們。在葉片上原本就有數量不少的細菌,而在環境中也可能有植物的病原菌可以在葉片這樣的環境中生存。有沒有可能是這些能在葉片上存活的細菌們在幫助人類病原菌生存? 過去研究裡真的有些葉片附生菌幫助 Salmonella 沙門氏桿菌抗旱活下來的例子。而在這篇研究裡,作者想看看植物的宿敵 Xanthomonas 是不是有幫助 Salmonella 活下來的能力。

 

作者拿蕃茄為材料,測試 Salmonella 在有 Xanthomonas 時的存活狀況。Salmonella 獨自接種時在葉片上活不了多久,但在有 Xanthomonas 出現時得到明顯改善,顯示 Xanthomonas 的出現會幫助 Salmonella 的存活。作者總共測試了四株不同的 Xanthomonas,發現這些 Xanthomonas 對 Salmonella 的幫助不一樣,能讓植物病徵越明顯的菌株,似乎越能幫助 Salmonella 生長。改變過菌株,下一步作者用同一菌株,換成不同品種的蕃茄。Water soaking (水浸狀病斑)是個主要的病徵,代表該區植物細胞破裂,細胞質流芔積在細胞與細胞之間。在 water soaking 病徵明顯的蕃茄上 Salmonella 果然長得比較好,病徵不明顯的品種上這人類病原菌活得不太舒服。他們改用另一種方式造成植物裡水變多,用人工方式讓植物在濕度高的環境中吸滿水,也發現能增加 Salmonella 的存活。這些結果證實 Xanthomonas 使植物細胞間的水份變多,可以幫助 Salmonella 在葉片上存活。

 

接著作者換了一種觀察方式。如果 Salmonella 真的是因為植物細胞間的水變多了而容易在葉片上存活,那當我們仔細觀察每個細胞時,應該會看到在受傷植物細胞的附近, Salmonella 應該會比較多。在分別用螢光標定 Salmonella 和 Xanthomonas 後用螢光顯微鏡仔細觀察葉片表面。作者的確看到 Xanthomonas 聚集處葉片出現損傷,而在這種地方 Salmonella 就會出現,而在沒病徵的地方很難看到 Salmonella。

 

這篇研究讓我們看到病原菌感染,而不是病原菌自己,可以幫助 Salomonella 在葉片上存活。雖然作者證實水份增加可以讓 Salmonella 的數量增加,但是 Xanthomonas 的攻擊可能也降低了植物免疫系統對 Salmonella 的妨礙而讓葉片變得不再那麼難以生存。Xanthomonas 和 Salmonella 在人類農業出現前應該是沒有機會認識的,經由人類的文明,兩種不認識的生物開始合作在這個新棲所發展出新的互動關係了。

 

研究原文:
Potnis N, Colee J, Jones JB, Barak JD. Plant Pathogen-Induced Water-Soaking Promotes Salmonella enterica Growth on Tomato Leaves. Appl Environ Microbiol. 2015 Dec 1;81(23):8126-34. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26386057

 

照片來源:
David Besa from Sonoma, USA. The flower and leaves are visible in this photo of a tomato plant. CC BY 2.0. https://goo.gl/yhvQ29

 

 

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