“重度结石细菌”——小石子细菌Achromatium(2)

“重度结石细菌”——小石子细菌Achromatium(2)

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上一篇整体介绍了一下“小石子细菌”Achromatium的特殊性:细胞内含有大量碳酸钙颗粒。这一篇就以图片为主,主要看看在更加精细的电子显微镜下,这些细胞的内部构造。

因为体内含有的“结石”,小石子细菌远比同体积的细菌重得多。这也给我们提供了便利,能够把这些虽然没有被纯培养的细菌有效的富集起来。

我是怎么富集这些细菌的呢?直接采一些含有小石子细菌的泥浆,用纱布过滤,然后把滤液放入培养皿里——摇一摇~

就像是摇晃茶杯,茶叶就会被聚集到杯子中间一样,我只要轻轻的手腕发力,就能把成百上千个细胞聚集在培养皿中心。非常简单快捷。

被聚集起来的细胞在显微镜下看起来十分美丽:

左:聚集在一起的Achromatium细胞们。右:单个细胞。黑色箭头:胞内碳酸钙大颗粒。白色箭头:硫颗粒。来源:Schorn et al. 2018

利用共聚焦激光扫描显微镜观察染色后的细胞,发现小石子细菌是目前发现的“最重”的细菌,每个细胞大约是2.62 + 0.34 ng /cell (mean + SE, n = 18)。但是需要注意的是,每个细胞中所含的碳酸钙颗粒,从数量和和分布上,都是不一样的,目前并没有发现明显的规律。

富集好的了细菌,会被手工转移,在各种显微镜下被测试。每次挑细菌的时候,我都很感慨:做科研还真是个吃年轻饭的行当,如果再过二十年,我眼花了,手也开始抖了,就什么都做不了了。当然,也可以用各种仪器来做,不过一来我没钱,二来机器总是没有人能随机应变那份灵活。就像是高档服装的刺绣总是各种强调是手工织花,因为人手做出来的,就是比机器做出来的刺绣和织花要更加灵动。不过,这种极致细微的活儿,回报给我的,是腰和脖子的各种毛病。

扯远了。

小石子细菌是空心的,还是实心的?它们的碳酸钙颗粒有什么特别吗?这一类问题就特别适合用电子显微镜来做。

小石子细菌电子显微镜图片

在高分辨率的电子显微镜下,我们看到小石子细菌里的碳酸钙颗粒大小差别非常大(对比上图中的左上图和左下图),而在另一些细胞里,微小的颗粒像是“镶嵌”在大颗粒之间一样。这些不同可能是因为每个细胞并非同一属,或是细胞曾经处在不同条件下,使得碳酸钙颗粒产生了变化。而右下图表明,有的细胞表面还可能有粘液和其他附着物,并不只是一层简单的细胞壁。

当我们把一个细胞冷冻后从中破开,可以发现,小石子细菌是实心而不是中空的。整个细胞中层层叠叠的被碳酸钙颗粒所占满。

从中破开的细胞表面碳酸钙颗粒是在整个细胞中都存在的

可能读者会问:“你们这么翻来覆去的折腾,得出这么个很明显的结论,到底有什么用?”

这个结果说明,虽然细胞的体积很大,但是其占据主要空间的,并不是细胞质和遗传物质,反而是碳酸钙。其实这个结果验证了我们的猜想:由于扩散速率会随着距离而显著减小,那细胞所需要的“食物”想通过扩散作用进入细胞,就很难进入细胞中心。而细胞中重要的比如RNA, DNA的形成,翻译和运输等,并无法跨过很长的距离,所以这些遗传物质和其他重要的细胞成分,都不应该被碳酸钙包裹在细胞中心。

那细胞的遗传物质比如DNA这些,都在哪里呢?

用核酸染料,我们发现,它们都被“挤到了”细胞的表层,那里各种物质交换十分频繁而且养料充足。

绿色的小点点标注了被染色后的核酸位置

这也是很多其他大细菌采取的策略:用各种手段,将核酸等物质推到细胞表层。否则它们会由于无法从扩散作用中得到足够的养料而饿死。比如,现今世界上最大的细菌,珠硫菌,体内就有一个巨大的,含有硝酸盐的液泡,其作用就是提供电子受体,同时把核酸推到细胞表层。

说了这么多碳酸钙颗粒,那么硫颗粒呢?因为我们知道,如果硫颗粒被氧化后,会形成硫酸,从而使得碳酸钙溶解。那么是不是硫颗粒都是在特殊的位置产生,以免“误伤”呢?

我们用SEM-EDS扫描了很多颗细胞,来寻找硫的产生位置。SEM-EDS是一种可以分辨各种不同元素的电子显微镜技术。在它的帮助下,我们拿到了小石子细菌内钙和硫的分布图:

左边是一个Achromatium细胞,中间是这个细胞中硫的分布图,右边是细胞中钙的分布图

出乎我们意料的是,在整个细胞中,硫的分布并不是一个个的小颗粒,而是弥漫在整个细胞的碳酸钙颗粒之间!

大惑不解之下,我们扫描了很多个细胞,都显示细胞里的硫并不是颗粒状。

说好的硫颗粒呢???

那些大颗粒之间的小颗粒是什么呢??

我又更加仔细的扫描了一下,发现无论是大颗粒,还是小颗粒,它们都是由钙组成的。

但硫信号并不一定会在细胞中出现,只有在没有被氧化时,细胞才会有硫,而且只出现在颗粒之间的缝隙里。

a: 一个没有被氧化的细胞,硫信号只在颗粒间隙中发现(a3)。b:一个被氧化的细胞,胞内不含硫,所有大大小小的颗粒都只含有钙(b2, b3)

为了进一步确定小颗粒的组成,我们又用了能使钙离子染色,而不会使得碳酸钙颗粒,或是硫颗粒染色的染料,对整个细胞进行了染色。染色结果证明,那些曾经被认为是硫颗粒的小颗粒,都是富含Ca2+钙离子的小液泡。

E1:一个小石子细菌,其所含的小颗粒被钙离子染料染成了红色。E2:同一个小石子细菌在光学显微镜下的图片

这个发现质疑了之前一百多年来,所有人都认为的“Achromatium细胞中的大颗粒的碳酸钙,小颗粒是硫”的普遍认识。我们的结果表明,很可能硫并不是以颗粒的形式存储在细胞中,而是富集在大的碳酸钙颗粒的间隙里。而那些小的,富含钙离子的颗粒,则可能是细胞用来存储钙,从而不必再消耗ATP能量从环境中吸取额外的钙离子。这些小颗粒对于小石子细菌能够快速的应对环境的变化,从而形成/溶解碳酸钙颗粒,有着重要的作用。

文献来源:

Head IM, Gray ND, Howarth R, Pickup RW, Clarke KJ, Jones JG (2000). Achromatium oxaliferum - understanding the unmistakable. In: Schink B (ed). Advances in microbial ecology. Kluwer Academic/Plenum Publishers: New York. pp 1-40.

Head IM, Gray ND, Clarke KJ, Pickup RW, Jones JG (1996) The phylogenetic position and ultrastructure of the uncultured bacterium Achromatium oxaliferum. Microbiology 142:2341–2354

Gray ND, Pickup RW, Jones JG, Head IM (1997). Ecophysiological evidence that Achromatium oxaliferum is responsible for the oxidation of reduced sulfur species to sulfate in a freshwater sediment Appl Environ Microbiol 63: 1905-1910.

Salman V, Yang T, Berben T, Klein F, Angert E, Teske, A (2015) Calcite-accumulating large sulfur bacteria of the genus Achromatium in Sippewissett Salt Marsh. The ISME Journal 9:2503-2514

Schorn S, Cypionka H. (2018) A Crispy Diet: Grazers of Achromatium oxaliferum in Lake Stechlin Sediments. Microbial Ecology. doi: 10.1007/s00248-018-1158-4.

Yang T et al., (2018) Intracellular calcite and sulfur dynamics of Achromatium cells observed in a lab-based enrichment and aerobic incubation experiment. DOI 10.1007/s10482-018-1153-2

Ionescu D, Bizic-Ionescu M, De Maio N, Cypionka H, Grossart HP (2017) Community-like genome in single cells of the sulfur bacterium Achromatium oxaliferum. Nature Communications 8:455. doi: 10.1038/s41467-017-00342-9.