光照调控蓝细菌PCC 6803生物膜形成中的细胞聚集、胞外多糖分泌与光生理可塑性

《Microbial Ecology》：Light-Dependent Aggregate Formation and Photosynthetic Acclimation During Biofilm Development in Synechocystis sp. PCC 6803

　　

摘要

生物膜形成是蓝细菌在不断变化的环境中的重要适应性策略。响应光照制度的变化，模式蓝细菌集光菌 sp. PCC 6803 GT-L 可以从浮游态转变为聚集和光自养生物膜形成。浮游培养物包含单细胞和微菌群，而发育中的生物膜则以具有显著异质性的细胞聚集体为主。分布分析显示，在较高光强（250–400 μmol photons m?2 s?1）下聚集体面积增加，并表现出强烈的波长依赖性，在蓝绿光（460–510 nm）下达到最大值，在黄橙波长（560–590 nm）下达到最小值。胞外多糖（EPS）的产生紧密遵循聚集模式。生物膜培养物产生的 EPS 水平显著高于浮游培养物，蓝光培养诱导了最高的 EPS 积累。在红光（630 nm）和蓝光（460 nm）之间切换培养光表明，EPS 产生和聚集体形成是可逆的，并受光照制度的主动调节。生长速率和 EPS 产生表现出相反的模式：在 630 nm 光下生长的培养物表现出最高的生长速率和最小的 EPS 分泌，而在 460 nm 光下生长的培养物表现出最低的生长速率和最大的 EPS 分泌。源自 OJIP 曲线的叶绿素荧光参数显示，与浮游细胞相比，生物膜相关细胞的电子受体池大小（S_M）更小，最大光化学效率（φP_O）降低，光系统 II（PSII）的表观天线大小（ABS/RC）增加，且相对于浮游细胞能量耗散（DI_O/RC）增强。相反，在紫绿波长（430–540 nm）下生长时，生物膜相关细胞保持相对较高的 φP_O 和降低的 ABS/RC 和 DI_O/RC，而浮游细胞则显示出激发诱导的胁迫。这些结果表明光调节的生理可塑性在蓝细菌生物膜发育中的核心作用。

生物膜形成是蓝细菌在不断变化的环境中的重要适应性策略。响应光照制度的变化，模式蓝细菌集光菌 sp. PCC 6803 GT-L 可以从浮游态转变为聚集和光自养生物膜形成。浮游培养物包含单细胞和微菌群，而发育中的生物膜则以具有显著异质性的细胞聚集体为主。分布分析显示，在较高光强（250–400 μmol photons m?2 s?1）下聚集体面积增加，并表现出强烈的波长依赖性，在蓝绿光（460–510 nm）下达到最大值，在黄橙波长（560–590 nm）下达到最小值。胞外多糖（EPS）的产生紧密遵循聚集模式。生物膜分析物产生的 EPS 水平显著高于浮游培养物，蓝光培养诱导了最高的 EPS 积累。在红光（630 nm）和蓝光（460 nm）之间切换培养光表明，EPS 产生和聚集体形成是可逆的，并受光照制度的主动调节。生长速率和 EPS 产生表现出相反的模式：在 630 nm 光下生长的培养物表现出最高的生长速率和最小的 EPS 分泌，而在 460 nm 光下生长的培养物表现出最低的生长速率和最大的 EPS 分泌。源自 OJIP 曲线的叶绿素荧光参数显示，与浮游细胞相比，生物膜相关细胞的电子受体池大小（S_M）更小，最大光化学效率（φP_O）降低，光系统 II（PSII）的表观天线大小（ABS/RC）增加，且相对于浮游细胞能量耗散（DI_O/RC）增强。相反，在紫绿波长（430–540 nm）下生长时，生物膜相关细胞保持相对较高的 φP_O 和降低的 ABS/RC 和 DI_O/RC，而浮游细胞则显示出激发诱导的胁迫。这些结果表明光调节的生理可塑性在蓝细菌生物膜发育中的核心作用。