Allometria najmenších: superlineárne škálovanie mikrobiálnych metabolických rýchlostí v atlantickom oceáne isme journal

Allometria najmenších: superlineárne škálovanie mikrobiálnych metabolických rýchlostí v atlantickom oceáne isme journal

Anonim

predmety

  • Ekológia spoločenstva
  • Mikrobiálna ekológia

abstraktné

Prokaryotické planktonické organizmy sú malé, ale do veľkej miery sú významné v morských biogeochemických cykloch. Kvôli zmenšenému rozsahu veľkostí (0, 2 až 1 μm v priemere) sa účinky veľkosti buniek na ich metabolizmus ťažko posudzovali a zvyčajne sa v terénnych štúdiách nezisťujú. Tu uvádzame výsledky experimentov morskej mikrobiálnej respirácie s rozdelením podľa veľkosti pozdĺž latenčného transitu v Atlantickom oceáne. Exponenty škálovania získané z mocenského vzťahu medzi rýchlosťou dýchania a veľkosťou boli výrazne vyššie ako jedna. Táto superlinearita bola všadeprítomná v priebehu latentného transektu, ale jej hodnota nebola univerzálna a odhaľovala silný, aj keď heterogénny vplyv veľkosti buniek na mikrobiálny metabolizmus. Naše výsledky naznačujú, že pozorované latenčné rozdiely sú kombinovaným výsledkom zmien veľkosti buniek a zloženia medzi funkčnými skupinami v prokaryotoch. Komunity, v ktorých najväčšiu frakciu dominovali prokaryotické cyanobaktérie, najmä prochlorokoky , majú nižšie allometrické exponenty. Predpokladáme, že tieto väčšie a komplexnejšie prokaryoty sa približujú k evolučnému prechodu medzi prokaryotmi a protistami v rozsahu, v ktorom povrchová oblasť začína obmedzovať metabolizmus, a preto sa očakáva, že budú nasledovať mierku bližšie k linearite.

úvod

Heterotropné baktérie (baktérie a archaea) sa považujú za zodpovedné za veľkú časť dýchania v morských ekosystémoch, ktoré kontrolujú uhlíkový cyklus hlavne v rozsiahlych oligotrofných oblastiach (Williams, 1981; del Giorgio a Duarte, 2002; Robinson a Williams, 2005). Morské baktérie a archaea tvoria mimoriadne rozmanité a špecializované zhromaždenie (Giovannoni a Stingl, 2005). Majú vysokú schopnosť získať genetickú diverzitu hlavne laterálnym prenosom génov a inými mechanizmami na génovú expanziu, ktoré podporujú ich funkčnú diverzitu, a preto rozsiahlu diverzifikáciu metabolických dráh (Whitman et al., 1998; Doolittle a Papke, 2006). Z toho vyplýva konkurenčná výhoda, ktorá im umožňuje prispôsobiť sa okolitým podmienkam (Giovannoni a Stingl, 2005; Massana a Logares, 2013), čo do značnej miery vysvetľuje zmeny v zložení heterotrofných bakterioflanktonov zaznamenané v rôznych časopriestorových gradientoch (Giovannoni et al., 1996; Morris a kol., 2005; Pommier a kol., 2007; Gilbert a kol., 2009). Preto bakteriálna taxonomická a funkčná všestrannosť bola hlavnými premennými používanými na vysvetlenie zmien v metabolizme bakterioflanktónu.

Veľkosť a funkčná diverzita sa považujú za kľúčové faktory ovplyvňujúce metabolizmus druhov (Litchman a kol., 2007; Finkel a kol., 2010; Edwards a kol., 2012; Marañón a kol., 2013). Aj keď sa dosiahol veľký pokrok v allometrických štúdiách iných malých organizmov, ako je fytoplanktón, účinky veľkosti buniek na dýchanie morských heterotrofných bakterioflanktónov neboli doteraz dostatočne posúdené a pretrvávajú v podstate nezodpovedané (Makarieva et al., 2005; Massana a Logares, 2013). Účinky veľkosti buniek na metabolizmus sa zvyčajne charakterizujú pomocou mocenského zákona (West a kol., 1997; Brown a kol., 2004; DeLong a kol., 2010),

Image

kde Y je rýchlosť metabolizmu, Y ° je normalizovaná konštanta, M je telesná hmotnosť jednotlivca a b je exponent mierky.

Diskusia o presnej hodnote allometrického exponentu b je rozsiahla (Kleiber, 1932; Hemmingsen, 1960; West a kol., 1997; Enquist a kol., 2003; Brown a kol., 2004; Huete-Ortega a kol., 2012). Nedávne empirické štúdie navrhli hodnoty pre škálovaciu exponentu v organizmoch malej veľkosti, ktoré sa významne odlišujú od tradičnej škálovateľnosti, čo naznačuje potrebu ďalšieho preskúmania hodnoty tohto exponentu (Dodds a kol., 2001; Makarieva a kol., 2005; Zubkov, 2014). V tomto zmysle DeLong a kol. (2010) zistili, že škálovanie metabolizmu nie je univerzálne pre všetky formy života a je sublearné ( b <1) pre metazoan, lineárne ( b = 1) pre protisty a superlinárne ( b > 1) pre prokaryoty. Podľa DeLong a kol. (2010) hypotéza, superlineárne škálovanie prokaryotov je výsledkom korelácie medzi veľkosťou genómu a veľkosťou buniek v rámci tejto funkčnej skupiny. Väčšie bunky obsahujú väčšie genómy, ktoré umožňujú zvyšujúcu sa rozmanitosť substrátov, ktoré môžu byť metabolizované, čo vedie k vyššej metabolickej sile.

Allometrické štúdie prokaryotov vo všeobecnosti používajú kompilácie údajov väčšinou z laboratórnych kultúr (Makarieva a kol., 2005; DeLong a kol., 2010; Marañón a kol., 2013). Väčšina informácií o allometrii mikroorganizmov v oceáne je pre fytoplanktónové skupiny (López-Urrutia a kol., 2006; Marañón a kol., 2007; Finkel a kol., 2010; Zubkov, 2014), zatiaľ čo allometrické škálovanie bakteriálne spoločenstvá z prírodných prostredí zostávajú väčšinou nepreskúmané. Našim hlavným cieľom je preto testovať, či sa metabolické rýchlosti prokaryotických picoplanktonických skupín v morskom prostredí riadia superlinárnou allometrickou stupnicou. Merania dýchania sme uskutočňovali in vivo 2-para (jódfenyl) -3 (nitrofenyl) -5 (fenyl) tetrazólium chloridovým redukčným prístupom (ivINT) veľkosťovo frakcionovaných spoločenstiev morských mikrobiálnych planktónov (<0, 8 μm). Našim cieľom je zistiť, ako sa jednotlivé miery respirácie bakterioblanktonu zmenšujú s veľkosťou bunky, a identifikovať biotické a abiotické faktory, ktoré by mohli tento vzťah ovplyvniť.

Materiály a metódy

Stratégia odberu vzoriek

Morská voda z 30 staníc pozdĺž zemepisnej šírky v Atlantickom oceáne bola odobraná počas plavby Atlantickým oceánom 2011 (AMT21) na palube RRS Discovery. Pozdĺžny prechod pokrýval 50 ° severnej šírky (Avonmouth, Spojené kráľovstvo) až 50 ° severnej šírky (Punta Arenas, Chile). Od 29. septembra do 14. novembra 2011 sa denne odoberala vzorka jednej stanice. Vzorky morskej vody sa zbierali do fliaš Niskin v predawnine z jednej alebo dvoch rôznych hĺbok: blízko povrchu (hĺbka 2 - 5 m) a v hĺbke maxima chlorofylu. (DCM). Morská voda sa preniesla z Niskinovej fľaše do 3 I fľaše na následné čiastočné vzorkovanie a analýzu experimentov s kalibráciou veľkosti, in vivo INT redukcie a prietokovej cytometrickej analýzy štruktúry veľkosti, ako je uvedené nižšie. Všetky fľaše sa predtým opláchli čerstvou vodou, následne sa na konci pridala HCI a voda MilliQ.

Metóda redukcie kapacity INT in vivo

Meranie in vivo INT redukčnej kapacity sa uskutočňovalo pomocou INT. Výhodou tejto metódy je odhadnutie respirácie v komunite meraním redukcie INT v jednotlivých bunkách, čo umožňuje filtráciu buniek do veľkostných tried po inkubácii, čo nie je možné pri tradičných metódach, ako je napríklad inkubácia v tmavej fľaši (Winkler). Metóda znižovania INT bola kritizovaná kvôli jej nedostatočnej špecifickosti (INT môže byť znížená organickou hmotou) a za predpokladu lineárneho rozkladu rýchlosti znižovania INT s časom (Maldonado et al., 2012). Pomer medzi spotrebou kyslíka a redukciou INT je tiež variabilný v závislosti od trofického stavu (tj. Oligotrofných alebo mezo-eutrofických podmienok; García-Martín, osobná komunikácia). Napriek týmto obmedzeniam existuje dobrá korelácia medzi INT zníženým planktonickými organizmami a ich dýchaním meraným inkubáciou v tmavej fľaši (Winklerova metóda; Martínez-García a kol., 2009). V skutočnosti ďalšie štúdie validovali metódu vo veľkých priestorových mierkach a našli dobrú štatistickú koreláciu medzi oboma technikami ( r2 = 0, 74, P <0, 0001, n = 398, García-Martín et al. , V príprave). Preto sme použili redukčnú kapacitu INT ako náhradu rýchlosti dýchania, hoci sme sa vyhli konverzii mólov INT na jednotky O 2 .

Do plastových fliaš boli zhromaždené štyri repliky po 500 ml. Jeden replikát bol okamžite fixovaný pridaním formaldehydu (2% m / v konečná koncentrácia) a použitý ako usmrtená kontrola. Po 15 až 20 minútach sa všetky replikácie naočkujú sterilným roztokom 8 mm jodonitrotetrazoliovej soli (INT), čím sa získa konečná koncentrácia 0, 8 mm. Všetky replikácie boli inkubované medzi 2 a 4 hodinami. Vzorky sa fixovali pridaním formaldehydu, ako v prípade usmrtenej kontroly. Vzorky boli po 15 minútach postupne filtrované cez polykarbonátové filtre s veľkosťou pórov 0, 8, 0, 6, 0, 4 a 0, 2 um, vysušené na vzduchu a zmrazené do 1, 5 ml kryoskúmaviek pri -20 ° C až do ďalšieho spracovania. 0, 8 um filter sa použil na odstránenie väčších planktónových buniek z analýzy. Dýchanie sa teda odhadovalo na tri rôzne veľkostné triedy: 0, 8–0, 6, 0, 6–0, 4 a 0, 4–0, 2 μm. Redukcia INT bola stanovená podľa Martínez-García et al. (2009).

Štruktúra veľkosti

Vzorka vody s objemom 500 ml sa zozbierala na prietokové cytometrické stanovenie veľkostnej štruktúry a prefiltrovala sa cez rovnakú sekvenciu filtrov Nucleopore s veľkosťou pórov 0, 8, 0, 6, 0, 4 a 0, 2 um. Alikvotný podiel 500 ul z každého filtrátu sa fixoval konečnou koncentráciou 2% paraformaldehydu a použil sa na analýzu heterotrofných baktérií pomocou prietokovej cytometrie. Vzorky sa zafarbili SYBR Green I (1:10 000 konečné riedenie počiatočného zásobného roztoku) a citranom draselným (0, 1% w / v) a pred analýzou sa 1 hodinu udržiavali v tme. Potom sa na kalibráciu signálu prietokovej cytometrie do každej vzorky pridalo 25 μl zmesi žlto-zelených guľôčok 0, 5 a 1, 0 μm (Fluoresbrite Microparticles, Polysciences, Eppelheim, Nemecko). Vzorky boli analyzované počas 60 s pri nízkej prietokovej rýchlosti (približne 15 μl min- 1 ) prietokovým cytometrom FACSCalibur (Becton Dickinson, Oxford, UK).

Hustota baktérií, respirácia na bunku a odhady cytometrických vlastností

Na odhad abundancie a biologického objemu komunity sa použili analýzy prietokovej cytometrie počas experimentov s respiračnou frakciou podľa veľkosti. Metóda ivINT odhaduje respiráciu frakcie planktónu zadržanú medzi dvoma po sebe nasledujúcimi filtrami (0, 8–0, 6, 0, 6–0, 4 a 0, 4–0, 2). Merania prietokovej cytometrie sa však uskutočňovali na filtrátoch každého filtra. Prebytok buniek zadržaný jedným filtrom bol vypočítaný odpočítaním počtu buniek vo filtráte od počtu buniek v suspenzii pred tým, ako prešiel týmto filtrom.

Na odhad priemernej veľkosti buniek zadržaných na každom filtri sme použili parameter prietokového cytometra súvisiaci s veľkosťou bunky, bočným rozptylom (Burkill a kol., 1993; Zubkov a kol., 1998; Calvo-Díaz a Morán, 2006)., Jednotky postranného rozptylu sa transformovali na jednotky veľkosti pomocou kalibrácie veľkosti bakterioplanktónu uskutočnenej počas plavby AMT21 (doplňujúce informácie). Prietokový cytometer vracia pre každú vzorku štandardný súbor prietokovej cytometrie so zaznamenanými signálmi prietokovej cytometrie pre každú bunku. Každý štandardný súbor s prietokovou cytometriou bol spracovaný pomocou balíka Bioconductor flowCore (Hahne et al., 2009), a preto sme boli schopní získať prístup k distribúcii veľkosti buniek v komunite. Na odhad distribúcie veľkosti buniek zadržaných na každom filtri sme pred prechodom cez filter odčítali distribúciu veľkosti buniek vo filtráte od distribúcie veľkosti v suspenzii. Znalosť množstva a priemernej veľkosti buniek zadržaných na každom filtri nám umožnila odhadnúť priemerné dýchanie na bunku a veľkosť mierky respirácie. Dýchanie na bunku sa vypočítalo ako dýchanie rôznych frakcií delené početnosťou buniek v tejto frakcii.

Štatistická analýza

Teoretický vzťah medzi respiráciou bakterioflanktónu na bunku a bunkovým bioobjemom (rovnica 1) môže byť linearizovaný logaritmickou transformáciou. Rovnica má dve neznáme: normalizujúcu konštantu α a mierku exponent β, ktoré boli odhadnuté z meraní in situ pomocou modelu zmiešaných efektov v dôsledku hierarchického štruktúrovania nášho experimentálneho návrhu (Gelman and Hill, 2007). To nám umožnilo vysvetliť nevyvážené pozorovania a kvantifikovať variabilitu spojenú so zmenami medzi replikáciami v rámci toho istého experimentu a medzi rôznymi experimentmi pozdĺž transektu;

Image

kde R a V predstavujú merania dýchania a biologického objemu. Dolný index jk [ i ] naznačuje, že dýchanie sa meralo pre replikát k v experimente j . Intercepty a svahy boli modelované ako normálne náhodné odchýlky so strednou hodnotou μα a μp. Odchýlky od tohto stredného vektora pre každý replikát boli charakterizované matricou variancie - kovariancie, ktorá rozdeľuje celkové rozptyly medzi zmeny medzi replikátmi a medzi experimentmi (tj.

Image

a

Image

). Zostávajúce chyby sa považovali za nezávislé a normálne rozdelené ( ɛ ~ N (0, σn Ri )). Model bol vybavený pomocou obmedzenej maximálnej pravdepodobnosti (R Core Team, 2014) s balíkom lme4 (Bates et al., 2014). Dáta boli sústredené pred analýzou, aby sa zabránilo falošnej inflácii korelácií parametrov. Výber modelu založený na Akaike Information Criterion (AIC) a Bayesian Information Criterion (BIC) vyradil zjednodušené verzie vyššie uvedeného modelu (to znamená konštantné odpočúvania alebo svahy) a modely zvažujúce rozdiely medzi replikáciami v rámci experimentov (tj najlepší predpokladaný model). σ k = 0 pre α aj β , zdôrazňujúc robustnosť našich meraní). Predpokladali sme, že veľkosť chýb v dýchaní na bunku bola oveľa väčšia ako veľkosť chýb v meraniach veľkosti buniek, a preto je možné tieto chyby bezpečne ignorovať. Aj keď je tento predpoklad bežný v allometrických štúdiách (Gillooly a kol., 2002; Makarieva a kol., 2005), mohol by viesť k podceneniu škálovacích exponentov (Warton a kol., 2006; DeLong a kol., 2010). Preto sa odhady uskutočňované pomocou obyčajnej metódy najmenších štvorcov porovnávali s odhadmi odvodenými zo zníženej regresie hlavnej osi, aby sa preskúmal účinok metódy prispôsobenia v zistenej superlinearite, exponentu mierky a odpočúvaní pre každú stanicu (doplnkové informácie). Porovnanie s odhadmi odvodenými pomocou zníženej regresie hlavnej osi pre každý experiment viedlo k približne 20% nárastu škálovacích exponentov, takže náš prístup považujeme za konzervatívny, aby sme odmietli hypotézu lineárneho alebo sublearného škálovania.

výsledok

Experimenty s delením podľa veľkosti na 30 vzorkovaných staniciach odhalili silnú koreláciu medzi veľkosťou bunky a metabolickou aktivitou pozdĺž latenčného transektu cez Atlantický oceán (obrázok 1). Modely so zmiešanými účinkami poskytli primeraný obraz o vzťahu medzi veľkosťou buniek bakterioplanktonu a dýchaním na bunku pozdĺž Atlantického oceánu. Najlepším modelom bol lineárny zmiešaný efektový model s náhodným odpočúvaním a sklonom (Rovnica 2, AIC = 549, 98, BIC = 571, 23, P < 0, 0001). Z toho vyplývajú významné rozdiely v sklone aj v priesečníku pozdĺž experimentov s transcendentnou zemepisnou šírkou Atlantiku.

Image

Vzťah medzi respiráciou na bunku (os y ) a bioobjemom (os x ) pre každý experiment pozdĺž atlantického zemepisného šírenia a všeobecného prispôsobenia poskytnutého modelom. Šedé bodky predstavujú hodnoty pre každú frakciu veľkosti a šedá čiarkovaná čiara lineárne prispôsobenie poskytované zmiešaným modelom pre každý experiment. Červená čiara zodpovedá úrovni populácie a priemeru mierky mierky pre všetky experimenty.

Obrázok v plnej veľkosti

Celkový sklon v našom modeli naznačuje, že miera respirácie sa zvyšuje s bio-objemom superlineárne, pričom škálovateľný exponent je významne väčší ako jeden (obrázky 2, pi = 1, 67 ± 0, 19, P <0, 0001). Pri 80% experimentov vykonávaných pozdĺž latenčného priechodu bol sklon výrazne vyšší ako jednota. Aj keď model dospel k záveru, že medzi stanicami existujú významné rozdiely, pri porovnaní upraveného sklonu pre každý experiment so všeobecným sklonom sa zistilo, že po superlinearnom zisťovaní pre celý svah nasledovala aj väčšina experimentov (obrázok 1). Porovnanie exponentov mierky získaných pomocou bežných regresií najmenších štvorcov a redukovaných regresií hlavných osí (doplnková informácia, doplnková tabuľka S1) ďalej demonštruje superlineárne škálovanie zaznamenané modelmi so zmiešaným efektom použitými v našich analýzach.

Image

Vzťah medzi dýchaním na bunku (os y ) a bioobjemom (os x ) pre každú frakciu veľkosti experimentu ( a ) a lineárne prispôsobenie pre každý experiment ( b ). Červená čiara v každom paneli predstavuje priemerný vzťah mierky odvodený od modelu zmiešaných efektov.

Obrázok v plnej veľkosti

Húsenica ukázala, že odhady allometrického exponentu sa vo väčšine experimentov odchýlili iba mierne od celkového priemeru (obrázok 3, to znamená 95% intervaly spoľahlivosti pre jednotlivé odhady prekrývali všeobecný sklon vo viac ako troch štvrtinách experimentov). K týmto odchýlkam však nemožno jednoznačne priradiť žiadny z testovaných faktorov. Niektoré experimenty sa napriek tomu výrazne odchyľovali od celkového trendu (červené čiary na obrázku 3), čo zdôrazňuje heterogenitu svahov pozdĺž transektu. V snahe pochopiť rozdiely zistené pre svah sme testovali vzťah medzi škálovateľnými exponentmi poskytovanými lineárnym zmiešaným efektom a rôznymi vonkajšími faktormi: zemepisná šírka, teplota, hĺbka a chlorofyl.

Image

Caterpillar diagram ukazujúci náhodné účinky (stredné a 95% intervaly spoľahlivosti) na allometrický exponent ( pi ) pre každý z 30 experimentov s frakcionovanou veľkosťou, ktoré sú zoradené podľa relatívneho poradia odchýlok. Pokusy, pri ktorých priemerný exponent na úrovni populácie nespadá do intervalu spoľahlivosti, sú označené červenou farbou. Tieto veľké odchýlky odrážajú heterogenitu sklonu medzi experimentmi.

Obrázok v plnej veľkosti

Tieto bakterioplanktonové spoločenstvá zložené z väčších buniek vykazujú pokles exponentu mierky (obrázky 2a a b). Skutočne existuje silná inverzná korelácia medzi škálovacím exponentom a strednou veľkosťou buniek, ktoré integrovali spoločenstvo v každom experimente ( r = −0, 57, P < 0, 01, obrázok 4a). Toto zníženie exponentu mierky, keď je komunita zložená z väčších buniek, naznačuje, že zmeny v zložení komunity môžu spôsobiť rozdiely v časovom úseku. Túto hypotézu sme skúmali pomocou priemerného biologického objemu buniek zadržaných každým z rôznych filtrov s veľkosťou pórov v experimente. Aj keď sa nezistili žiadne významné zmeny v strednom biologickom objeme pre dve frakcie s najmenšou veľkosťou, v experimentoch sa vyskytoval značný rozsah priemerných veľkostí buniek s najväčšou veľkosťou frakcie. Významný vzťah sa zistil medzi časom sklonu a priemerným biologickým objemom buniek zadržaných na 0, 6 μm filtri ( r = −0, 68, P < 0, 001, obrázok 4b). Napriek tomu sa nezistili žiadne pozoruhodné zmeny v strednom biologickom objeme pre ďalšie frakcie veľkosti počas experimentov. To naznačuje, že zmeny vo väčších populáciách mikrobiálnej komunity môžu byť zodpovedné za pokles pozorovaný v exponente mierky.

Image

Vzťah medzi alometrickým sklonom β 1 (os y ) a stredným bioobjemom (os x ) celej komunity ( a ) a buniek zadržaných na 0, 6 μm filtri ( b ). Vzťah medzi veľkosťou normalizovanou respiráciou na bunku (normalizovanou pre bunku s priemerným objemom 0, 068 μm 3 ; os y ) pre experimenty uskutočňované na DCM a stredným biologickým objemom (os x ) celej komunity ( c ) a buniek ponechaných na 0, 6 μm filtri ( d ).

Obrázok v plnej veľkosti

Obrázok 2 okrem zmeny sklonu tiež naznačoval pokles výšky mierkového vzťahu so zvyšujúcim sa stredným bioobjemom komunity. Pretože sa svahy líšia, nemá význam porovnávanie odpočúvaní poskytnutých modelom. Aby sme mohli študovať tieto zmeny výšky škálovateľného vzťahu, vybrali sme stredný objem buniek (0, 068 μm3) a vypočítali sme rýchlosť respirácie na bunku pri tejto fixnej ​​veľkosti pre všetky experimenty. Aby sa minimalizovala variabilita, zohľadnili sa iba experimenty uskutočňované na DCM. Podobne ako u škálovateľného exponentu bola respirácia normalizovaná podľa veľkosti vysoko korelovaná s priemerným biologickým objemom, najmä pri veľkosti filtra 0, 6 μm, čo naznačuje, že komunity zložené z väčších, komplexnejších buniek majú pre danú veľkosť bunky nižšie metabolické rýchlosti na bunku (obrázky) 4c a d). O týchto účinkoch zloženia spoločenstva svedčí aj klesajúci veľkosť normalizovaného metabolizmu so zvyšujúcim sa percentuálnym zastúpením prochlorokokov vo vzťahu k heterotrofným baktériám ( r = −0, 60, P < 0, 01) a silný, pozitívny vzťah k množstvu heterotrofných baktérií ( r = 0, 71, P < 0, 001).

Tieto zmeny zloženia boli paralelné so zmenami niekoľkých pomocných environmentálnych parametrov. Keď sa DCM nachádzal hlbšie, metabolizmus normalizovaný podľa veľkosti sa znížil ( r = 0, 68, P < 0, 001). Aj keď bol DCM hlbší hlavne v oligotrofných oblastiach, index obmedzenia živín (vypočítaný ako rozdiel medzi hĺbkou zmiešanej vrstvy a hĺbkou nitraclinu (Behrenfeld et al., 2002)) nepreukázal jasný vzťah k respirácii normalizovanej podľa veľkosti ( r = 0, 35, P = 0, 12). To znamená, že hoci sa našli významné korelácie, žiadny environmentálny parameter nedokáže sám vysvetliť rozdiely zistené vo výškach pozdĺž štúdie.

diskusia

Účinok veľkosti buniek na prokaryotický metabolizmus sa ťažko považuje za dôležitý. Naše experimenty využívajúce oceánske spoločenstvá z prírodných prostredí však ukazujú silný vplyv bunkového bioobjektu na metabolické procesy drobných organizmov, ako sú baktérie. Naše výsledky odhaľujú superlineárne škálovanie (> 1) pre najmenšie (<0, 8 μm) planktónové organizmy pozdĺž latenčného transektu v Atlantickom oceáne. Model, ktorý najlepšie vyhovuje našim údajom, odhadoval celkovú hodnotu exponentu mierky priemernej stanice väčšiu ako jedna ( b = 1, 67) a v rozsahu hodnoty 1, 7–2, 0, ktorú uvádza DeLong et al., (2010) z Zostavovanie údajov pre suchozemské a vodné prokaryoty väčšinou z kultúr.

DeLong a kol., (2010) predpokladal, že superlinárne škálovanie je v prokaryotoch spôsobené koreláciou medzi veľkosťou bunky a dĺžkou genómu (Shuter a kol., 1983; Doolittle, 2002; Tanaka a kol., 2003). Väčšie bunky majú dlhšie genómy, čo vedie k zvýšeniu počtu metabolických ciest a tým aj k ich funkčnej diverzite (Whitman a kol., 1998; Stepkowski a Legocki, 2001; Islas a kol., 2004; Price a kol., 2004 ). V súlade s tým by metabolizmus prokaryotov nebol obmedzený povrchovou plochou ako v protistroch, ale počtom metabolických ciest, ktoré môžu použiť na získanie energie. Ak je veľkosť prokaryotov dostatočne veľká na to, aby mali úplný doplnok väčšiny metabolických dráh, obmedzuje ich metabolizmus povrchová plocha (DeLong a kol., 2010).

Náš model tiež dospel k záveru, že tento všeobecný škálovateľný exponent nie je univerzálny, so značnými odchýlkami pozdĺž transektu (obrázok 3). To znamená, že celková hodnota odhadovaná naším modelom ( b = 1, 67) nie je univerzálna. Zmeny v exponente škálovania metabolickej veľkosti boli hlásené aj na vývojovej a druhovej úrovni (DeLong a kol., 2010; Kempes a kol., 2012).

Naše analýzy odhalili, že heterogénnosť okolo univerzálneho škálovania môže byť vysvetlená z hľadiska zmien v zložení komunity a distribúcii veľkosti. Komunity zložené z menších buniek majú vyššie škály exponentov ako tie, ktoré sa skladajú z väčších buniek (obrázky 4a a b). Pozdĺž atlantického transektu dochádza k zmenám v zložení relatívnej dôležitosti fylogenetických skupín v prokaryotickom picoplanktóne (baktérie, archaea a cyanobaktérie; Fuhrman a kol., 1993; Giovannoni a Stingl, 2005) a vo veľkosti buniek v každej skupine. Aj keď naše experimenty rozdelili spoločenstvo na tri frakcie s veľkosťou menšou ako 0, 8 μm, tieto zmeny zloženia viedli k posunom v rozsahu veľkosti zahrnutom v našich experimentoch a priemerných veľkostiach buniek celej komunity. Tieto zmeny sme dokázali zistiť pomocou merania distribúcie veľkosti a frekvencie v každej frakcii veľkosti pomocou prietokovej cytometrie. Ak použijeme priemernú veľkosť komunity ako indikátor komplexnosti buniek, berúc do úvahy vzťah medzi veľkosťou bunky a počtom génov prokaryotickej bunky, ktorý uvádza DeLong et al. (2010), podobný priebeh je možné pozorovať pri našich experimentoch s komunitami zloženými z veľkých, a teda zložitejších buniek, ktoré majú mierku exponentu bližšie k jednote (obrázky 4a a b).

Predpokladáme, že tieto zmeny sú výsledkom posunov v alometrickom škálovaní medzi funkčnými skupinami v prokaryotoch. Pokusy, v ktorých prevládajú heterotrofné prokaryotické skupiny (baktérie a archaea), majú metabolizmus, ktorý nie je obmedzený povrchovou plochou a meradlom superlinárne, ako navrhuje DeLong et al. (2010). Dochádza k poklesu v exponente škálovania (obrázky 4a a b), keď väčšie, komplexnejšie cyanobaktérie, najmä prochlorokoky , dominujú najväčším frakciám spoločenstva ako v atlantických oligotrofných oblastiach (Zubkov et al., 1998, 2000)., Navrhujeme, aby sa tieto väčšie, komplexnejšie prokaryoty priblížili evolučnému prechodu medzi prokaryotmi a protistami v rozsahu, v ktorom povrchová oblasť začína obmedzovať metabolizmus (DeLong et al., 2010), a preto sa očakáva, že budú nasledovať mierku bližšie k linearity.

Zmena svahu mierky mierky bola sprevádzaná výrazným poklesom výšok mierky vzťahu spoločenstiev, v ktorých dominujú väčšie a komplexnejšie bunky (obrázok 2). Dýchanie podľa veľkosti normalizované podľa veľkosti v DCM bolo nepriamo korelované s priemernou veľkosťou buniek každej komunity, najmä pre frakciu s najväčšou veľkosťou (obrázky 4c a d). Prochlorokok prevažuje v hĺbke DCM v obidvoch atlantických oligotrofných gyrároch (Zubkov a kol., 1998), čo sme v našich experimentoch našli aj vo filtri 0, 6 μm. Výsledný zvyšujúci sa pomer výskytu prochlorokokov k výskytu heterotrofných baktérií v oligotrofných oblastiach sa odráža v poklese respirácie normalizovanej podľa veľkosti (obrázok 2).

Dôležitosť veľkosti buniek v metabolizme fytoplanktónových skupín bola plne uznaná (López-Urrutia a kol., 2006; Litchman a kol., 2007; Finkel a kol., 2010; Edwards a kol., 2012; Zubkov, 2014)., Dôležitosť týchto skupín pre produktivitu oceánov spolu s ich veľkým rozsahom veľkostí, pokrývajúcim niekoľko rádov, bola priaznivá pre to, aby sa fytoplanktón do značnej miery študoval v porovnaní s inými skupinami oveľa menšími ako baktérie, ktorých allometria zostala v podstate neznáma. Tu sme, napriek obmedzenému rozsahu veľkostí (0, 2 - 0, 8 μm), preukázali, že veľkosť buniek je kľúčovým faktorom, ktorý riadi dýchanie morských bakterioplanktónov. Silné zmeny zloženia pozdĺž transektu a jeho korelácia s parametrami mierky veľkosti zdôrazňujú vplyv zložitosti buniek na allometriu mikrobiálnej komunity. Ukázali sme, že veľkosť buniek je kľúčovým funkčným znakom v komunitách bakterioplanktónu. Pochopenie odchýlok od všeobecného alometrického škálovania od znalosti bakteriálnej taxonomickej a funkčnej diverzity by mohlo umožniť lepšie pochopenie ich prínosu k biogeochemickým cyklom, najmä k cyklu morského uhlíka.

Doplnková informácia

Súbory PDF

  1. 1.

    Doplnková informácia

    Doplňujúce informácie sú priložené k tomuto dokumentu na webovej stránke časopisu ISME (//www.nature.com/ismej).