Etablering af Mikrobielle Eukaryote berigelseskulturer fra en kemisk Stratificeret Antarktis Lake og vurdering af kulstofbinding potentiale
Summary
Mikrobielle eukaryoter er både en kilde til fotosyntetisk-afledt kulstof og top aggressiv arter i permanent isdækkede Antarktis søer. Denne rapport beskriver en berigelseskultur tilgang til at isolere metabolisk alsidige mikrobielle eukaryoter fra Antarktis sø, Lake Bonney, og vurderer uorganisk kulstof fiksering potentiale ved hjælp af en radioaktiv isotop analyse for ribulose-1 ,5-bisphophate carboxylase oxygenase (RuBisCO) aktivitet.
Abstract
Lake Bonney er en af talrige permanent isdækkede søer placeret i McMurdo Dry Valleys, Antarktis. Den flerårige isdække opretholder en kemisk lagdelt vandsøjle og i modsætning til andre indre organer af vand, forhindrer i høj grad eksternt input af kulstof og næringsstoffer fra vandløb. Biota er udsat for en lang række miljømæssige belastninger, herunder året rundt alvorlige mangelsymptomer, lave temperaturer, ekstrem skygge, hypersalinity, og 24-timers mørke om vinteren 1. Disse ekstreme miljøforhold begrænse biota i Lake Bonney næsten udelukkende til mikroorganismer 2.
Encellede mikrobielle eukaryoter (kaldet "protister") er vigtige aktører i den globale biogeokemiske kredsløb 3 og spille vigtige økologiske roller i cykling af kulstof i de tørre dal søerne, besætter både primære og tertiære roller i den akvatiske fødekæde. I de tørre dalen akvatiske fødekæde, protister at fastsætte inorganic kulstof (autotrophy) er de største producenter af organisk kulstof for organotrofe organismer 4, 2. Phagotrophic eller heterotrofe protister i stand til at indtage bakterier og mindre protister fungerer som de øverste rovdyr i fødekæden 5. Endelig en ukendt del af protist population er i stand til kombineret mixotrophic metabolisme 6, 7. Mixotrophy i protister indebærer evnen til at kombinere fotosyntetiske kapacitet med phagotrophic indtagelse af bytte mikroorganismer. Denne form for mixotrophy afviger fra mixotrophic metabolisme i bakteriearter, der involverer generelt uptake opløst carbon-molekyler. Der er i øjeblikket meget få protist isolater fra permanent is-udjævnede polære søer, og undersøgelser af protist mangfoldighed og økologi i dette ekstreme miljø har været begrænset 8, 4, 9, 10, 5. En bedre forståelse af protist metabolisk alsidighed i den simple tørre Valley Lake fødekæden vil bidrage i udviklingen af modeller for role af protister i det globale kulstofkredsløb.
Vi anvendte en berigelseskulturen fremgangsmåde til at isolere potentielt fototrofe og mixotrophic protister fra søen Bonney. Prøvetagning dybder i vandsøjlen blev valgt baseret på placeringen af den primære produktion maxima og protist fylogenetiske mangfoldighed 4, 11, samt forskelle i de større abiotiske faktorer, der påvirker protist trofiske modes: lavvandede prøvetagning dybder er begrænset til større næringsstoffer, mens dybere prøveudtagning dybder er begrænset af lys tilgængelighed. Derudover blev søvandet prøver suppleret med flere typer vækstmedie til fremme af vækst af en række fototrofe organismer.
RuBisCO katalyserer hastighedsbegrænsende trin i Calvin Benson Bassham (CBB) cyklus, den store vej, som autotrofe organismer fastsætte uorganisk kulstof og give organisk kulstof for højere trofiske niveauer i akvatiske og terrestriske fødekæder 12. I denne undersøgelse, we anvendes en radioaktiv isotop analyse modificeret til filtrerede prøver 13 for at overvåge maksimal carboxylase aktivitet som en proxy for kulstofbinding potentiale og metabolisk alsidighed i Lake Bonney berigelse kulturer.
Protocol
Discussion
Nylige molekylære undersøgelser har rapporteret stor mangfoldighed af encellede eukaryoter tværs af en række miljøer 3, 19, 20, men på grund af manglende isolater hele rækken af protist levesteder funktionelle roller disse individuelle arter fødekæder stort set ukendt. I denne undersøgelse har vi beskrevet metoder til berigelse for mikrobielle eukaryote art, der udviser metaboliske alsidighed fra en forholdsvis undersamplet miljø, en permanent isdækkede Antarktis sø. Kulturer beriget fra forskell…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker J. Priscu, A. Chiuchiolo og McMurdo LTER Limnologi team for assistance i indsamling og bevaring af prøverne i Antarktis. Vi takker Ratheon Polar Service og Phi helikoptere for logistisk støtte. Lysmikrografer blev genereret i Miami Center for Avanceret Mikroskopi og Imaging Center. Dette arbejde blev støttet af NSF Office of Polar Programs Tilskud 0631659 og 1056396.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments |
| BBM | Sigma | B5282 | |
| BG11 | Sigma | C3061 | |
| F/2 | Sigma | G9903 | |
| GF/F filter, 25 mm | Fisher Scientific | 09-874-64 | |
| GF/F filter, 47 mm | Fisher Scientific | 09-874-71 | |
| Polyethersulfone filter, 0.45 μm pore, 47 mm | Pall Life Sciences | 61854 | |
| Sterile cell culture flask, 25 cm2 | Corning | 430639 | |
| Diurnal growth chamber | VWR | 35960-076 | |
| Zirconia/silica beads, 0.1 mm diamter | BioSpec Products | 11079101z | |
| Mini-Bead beater | BioSpec Products | 3110BX | |
| Screw-cap microcentrifuge tube (1.5 μL) | USA Scientific | 1415-8700 | |
| NaH14CO3 | ViTrax | VC 194 | Keep in aliquots of 400 μL at -20°C |
| RuBP | Sigma | R0878-100mg | Dissolve in 10 mM Tris-propionic acid (pH 6.5) |
References
- Morgan-Kiss, R. M., Priscu, J. P., Pocock, T., Gudynaite-Savitch, L., Hüner, N. P. A. Adaptation and acclimation of photosynthetic microorganisms to permanently cold environments. Microbiol Mol. Biol. Rev. 70, 222-252 (2006).
- Priscu, J. C., Wolf, C. F., Takacs, C. D., Fritsen, C. H., Laybourn-Parry, J., Roberts, J. K. M., Berry-Lyons, W. Carbon transformations in the water column of a perennially ice-covered Antarctic Lake. Biosci. 49, 997-1008 (1999).
- Caron, D. A., Worden, A. Z., Countway, P. D., Demir, E., Heidelberg, K. B. Protists are microbes too: a perspective. ISME J. 3, 4-12 (2009).
- Bielewicz, S., Bell, E. M., Kong, W., Friedberg, I., Priscu, J. C., Morgan-Kiss, R. M. Protist diversity in a permanently ice-covered Antarctic lake during the polar night transition. ISME J. 5, 1559-1564 (2011).
- Laybourn-Parry, J. No place too cold. Science. 324, 1521-1522 (2009).
- Roberts, E. C., Laybourn-Parry, J. Mixotrophic cryptophytes and their predators in the Dry Valley lakes of Antarctica. Freshwat. Biol. 41, 737-746 (1999).
- Roberts, E. C., Priscu, J. C., Laybourn-Parry, J. Microplankton dynamics in a perennially ice-covered Antarctic lake-Lake Hoare. Freshwat Biol. 27, 238-249 (2004).
- Bell, E. M., Laybourn-Parry, J. Mixotrophy in the Antarctic phytoflagellate Pyramimonas gelidicola. J. Phycol. 39, 644-649 (2003).
- De Wever, A., Leliaert, F., Verleyen, E., Vanormelingen, P., Van der Gucht, K., Hodgson, D. A. Hidden levels of phylodiversity in Antarctic green algae: further evidence for the existence of glacial refugia. Proc. Biol. Sci. , 276-3591 (2009).
- Laybourn-Parry, J. Survival mechanisms in Antarctic lakes. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 357, 863-869 (2002).
- Lizotte, M. P., Priscu, J. C., Priscu, J. C. Distribution, succession and fate of phytoplankton in the dry valley lakes of Antarctica, based on pigment analysis. Ecosystem Dynamics in a Polar Desert: The McMurdo Dry Valleys. , 229-240 (1998).
- Ellis, R. J. Most abundance protein in the world. Tren. Biochem. Sci. 4, 241-244 (1979).
- Tortell, P. D., Martin, C. L., Corkum, M. E. Inorganic carbon uptake and intracellular assimilation by subarctic Pacific phytoplankton assemblages. Limnol. Oceanogr. 51, 2102-2110 (2006).
- Jeffrey, S. W., Humphrey, G. F. New spectrophotometric equations for determining chlorophyll a, b, c1, c2 in higher plants, algae and natural phytoplankton. Biochem. Physiol. Pflanz. 167, 191-194 (1975).
- Morgan, R. M., Ivanov, A. G., Priscu, J. C., Maxwell, D. P., Hüner, N. P. A. Structure and composition of the photochemical apparatus of the Antarctic green alga, Chlamydomonas subcaudata. Photosyn. Res. 56, 303-314 (1998).
- Guillard, R. R. L., Smith, W. L., Chanley, M. H. Culture of phytoplankton for feeding marine invertebrates. Culture of Marine Invertebrate Animals. , 29-60 (1975).
- Johnson, M. D., Tengs, T., Oldach, D., Stoecker, D. K. Sequestration, performance, and functional control of cryptophyte plastids in the ciliate Myrionecta rubra (Ciliophora. J. Phycol. 42, 1235-1246 (2006).
- Rippka, R., Deruelles, J., Waterbury, J., Herdman, M., Stanier, R. Generic assignments, strain histories and properties of pure cultures of cyanobacteria. J. Gen. Microbiol. 111, 1-61 (1979).
- Not, F., del Campo, J., Balague, V., De Vargas, C., Massana, R. New insights into the diversity of marine picoeukaryotes. PLoS ONE. 4, e7143 (2009).
- Sherr, B. F., Sherr, E. B., Caron, D. A., Vaulot, D., Worden, A. Z. Oceanic Protists. Oceanography. 20, 130-135 (2007).
- Finlay, B. J. Protist taxonomy: an ecological perspective. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 359, 599-610 (2004).
- Foissner, W. Protist diversity: estimates of the near-imponderable. Protist. 150, 363-368 (1999).
- Gast, R. J., Moran, D. M., Dennett, M. R., Caron, D. A. Kleptoplasty in an Antarctic dinoflagellate: caught in evolutionary transition. Environmental Microbiology. 9, 39-45 (2007).
- Gast, R. J., Moran, M. A., Beaudoin, D. J., Blythe, J. N., Dennett, M. R., Caron, D. A. High abundance of a novel dinoflagellate phylotype in the Ross Sea. Antarctica. J. Phycol. 42, 233-242 (2006).
- Moran, D. M., Anderson, O. R., Dennett, M. R., Caron, D. A., Gast, R. J. A Description of Seven Antarctic Marine Gymnamoebae Including a New Subspecies, Two New Species and a New Genus: Neoparamoeba aestuarina antarctica n. subsp., Platyamoeba oblongata n. sp., Platyamoeba contorta n. sp. and Vermistella antarctica n. gen. n. sp. Journal of Eukaryotic Microbiology. 54, 169-183 (2007).
- Rose, J. M., Vora, N. M., Countway, P. D., Gast, R. J., Caron, D. A. Effects of temperature on growth rate and gross growth efficiency of an Antarctic bacterivorous protist. The ISME journal. 3, 252-260 (2009).
