Состав микробного мата и закономерности локализации объясняют вирулентность болезни черной полосы у кораллов.

npj Биопленки и микробиомы, том 9, Номер статьи: 15 (2023) Цитировать эту статью

990 Доступов

9 Альтметрика

Подробности о метриках

Болезнь черных полос (BBD) у кораллов характеризуется характерным лентовидным микробным матом, который распространяется по тканям и часто убивает инфицированные колонии. В микробном мате преобладают цианобактерии, но также обычно присутствуют сульфидокисляющие бактерии (SOB), сульфатредуцирующие бактерии (SRB) и другие микробы. Скорость миграции в BBD варьируется в зависимости от различных условий окружающей среды, включая температуру, освещенность и pH. Однако остается неизвестным, отражают ли различия в скорости миграции различия в микробном консорциуме внутри мата BBD. Здесь мы показываем, что микромасштабная структура поверхности, бактериальный состав и пространственное распределение различаются в зависимости от поражений BBD с разными скоростями миграции. Скорость миграции положительно коррелировала с относительным обилием потенциальных СОБ, принадлежащих к Arcobacteraceae, локализованных в среднем слое мата, и отрицательно коррелировала с относительным обилием других потенциальных СОБ, принадлежащих к Rhodobacteraceae. Наше исследование подчеркивает, что микробный состав BBD является важным фактором, определяющим вирулентность.

Цианобактерии часто являются ключевыми организмами, образующими микробные маты в естественной среде. Яркой особенностью цианобактериального мата является его многослойная структура и специфические слои, в которых распределены различные трофические микроорганизмы1. В самых верхних слоях обычно преобладают аэробные цианобактерии, диатомеи и другие оксигенные фототрофы, а в самых нижних слоях преобладают различные анаэробные бактерии. Цианобактериальные маты встречаются в наземной и водной среде, такой как приливно-отливные песчаные отмели, гиперсоленые пруды, горячие источники, приливные зоны и коралловые рифы1,2,3. Вертикальное распределение бактерий может колебаться ежедневно4, а маты могут расширяться горизонтально в радиальных направлениях5.

Болезнь черных полос кораллов (BBD), характеризующаяся темным микробным матом с преобладанием цианобактерий, демонстрирует уникальную форму полос, которые линейно мигрируют через живые ткани коралла (рис. 1). Характерная черная полоса мигрирует по живым тканям коралла, что приводит к лизису и некрозу подлежащей ткани и оставляет после себя голый скелет коралла6. Ширина черной полосы между внешне нормальной тканью коралла и только что обнаженным скелетом может варьироваться от нескольких миллиметров до семи сантиметров7,8. Скорость миграции BBD, зарегистрированная до 2 см/день9, варьируется в зависимости от температуры10,11, освещения10,11, pH12 и различных географических условий13. В пределах одного рифа одновременно наблюдались до пятикратных различий в скорости миграции14.

Представитель BBD на вложении Montipora sp. колония (а). Крупный план интерфейса: черная полоса, состоящая из цианобактериального мата между живой тканью коралла (здоровая область) и обнаженным белым скелетом коралла (голый скелет) (b).

В биомассе полимикробных матов преобладают нитчатые цианобактерии родов Oscillatoria, Roseofilum и Pseudoscillatoria, идентифицированные из Индо-Тихоокеанского, Карибского и Красного морей соответственно15. Эти цианобактерии принадлежат к монофилетической линии и постоянно обнаруживаются в поражениях BBD, что указывает на их ключевую роль в этиологии BBD15. Другими распространенными микробными компонентами поражения BBD являются SOB (например, Beggiatoa spp16. и Rhodobacterales17), SRB (например, Desulfovibrio18 и Desulfobacteraceae19), некоторые разнообразные гетеротрофные бактерии15 и археи20. Цианобактерии располагаются в верхней части микробного мата; В нижней части в дневное время встречаются SOB, SRB и гетеротрофные бактерии; а аэробные бактерии, в том числе SOB, ночью перемещаются по цианобактериальному слою15. Предложен механизм такого специального распределения. Активность цианобактерий в дневное время приводит к динамическому вертикальному микроградиенту кислорода8,21. Ночью внутри мата формируется среда с минимальным содержанием кислорода, а затем SRB размножаются и активируются в бескислородных условиях под матом8. Дефицит кислорода и высокие концентрации сульфидов из SRB губительны для тканей кораллов и поэтому считаются наиболее важными факторами этиологии BBD15,22. В некоторых исследованиях токсины цианобактерий также были вовлечены в некроз тканей кораллов на фронте поражения23. Между тем, члены SOB в BBD пока необъяснимы. Обычные члены SOB (такие как Beggiatoa spp. и/или Rhodobacterales) представляют собой очень незначительный компонент микробных консорциумов BBD, которые были получены из самых разных географических мест17,19,20,24,25,26,27,28. Это предполагает, что активность SOB сама по себе не является основным фактором патогенеза BBD, но ее дефицит может способствовать накоплению сульфида в очагах BBD15. Тем не менее, другие исследования, проведенные в Красном море, показали, что Arcobacter sp. (т.е. другие жизнеспособные члены SOB) были в большом количестве в поражениях BBD28. Кроме того, BBD также продемонстрировали низкое бактериальное разнообразие и схожий характер бактериального состава летом, когда они высокоактивны, по сравнению с неактивным BBD зимой и стадией убывающей BBD осенью29. Предшественник BBD, известный как состояние цианобактериального пятна (CP), также показал низкую скорость миграции и высокое бактериальное разнообразие по сравнению с нормальным состоянием BBD20. Из-за сложности и динамизма микробного консорциума BBD этиология и основные механизмы патогенеза и вирулентности BBD до сих пор остаются невыясненными15, особенно когда речь идет об их связи с бактериальным составом и локализацией. Кроме того, мелкомасштабная локализация микробов в очагах поражения BBD полностью не выяснена, и это могло бы прояснить динамику BBD-полимикробной динамики15.