在进化的场景分类(空间隔离)的作用,可以在允许控制的空间分布调整实验室使用简单微生物系统进行检查。通过修改创始人细胞密度时,各品种水平可在枯草芽孢杆菌的菌落生物膜使用荧光标记的细菌菌株进行可视化。
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在进化的场景分类(空间隔离)的作用,可以在允许控制的空间分布调整实验室使用简单微生物系统进行检查。通过修改创始人细胞密度时,各品种水平可在枯草芽孢杆菌的菌落生物膜使用荧光标记的细菌菌株进行可视化。
Microbes 提供了一个有趣的系统来研究种群内个体之间的社会互动。微生物的生成时间短且基因改造程序相对简单,促进了社会微生物学领域的发展。为了评估某些微生物物种的适应性,可以使用配备适当荧光滤光片的显微镜对选定的菌株或其转基因衍生物在一个种群中进行荧光标记和跟踪。琼脂培养基上不同微生物种类的扩增菌落可用于监测产生独特荧光蛋白的细胞的空间分布。
在这里,我们提出了一个详细的方案,用于使用产生绿色和红色荧光蛋白的细菌菌株来遵循表面定植过程中的空间排列,包括鞭毛驱动的群落运动(蜂群)、胞外多糖和疏水素依赖性生长介导的传播(滑动)和复杂的菌落生物膜形成。革兰氏阳性菌的非驯化分离株枯草芽孢杆菌可用于检查某些表面扩散特性及其对琼脂固化培养基上二维分布的影响。通过改变用于启动集落生物膜的细胞数量,可以在连续尺度上改变分类水平。延时荧光显微镜可用于在特定分类水平上见证不同表型和基因型之间的相互作用,并确定其中任何一种的相对成功。
在过去的几十年,微生物已被确认为与各种生态系统在地球上1,2有关的社会团体。相反在一般实验室实践中使用的浮游培养物,在环境中的微生物显示根据对生态环境的空间社区结构的一个不同的范围。简单微生物系统可以用来了解空间结构的社会互动3,4的进化的结果。同时使用真核生物和原核生物模型系统在过去的2 - 3年的出版物强调空间结构对合作的稳定性微生物种群内5-8的影响。此外,预留的相互作用中的微生物, 如代谢跨喂养,也可能改变互动的合作伙伴9-11的空间分布。空间结构的这些研究的影响是使用表面附着固着细胞居住在这样大多审查-called生物膜或在菌落生长的琼脂培养基的表面上。导致高空间分类遗传漂在微生物菌落观察,其中在细胞分裂介导的扩张导致一系列的遗传瓶颈,导致某些克隆linages 12高的局部固定概率边缘养分枯竭。遗传漂变可以使用,因此,研究空间隔离的微生物菌落的作用。
在环境中,生物膜是由自产聚合物基质13包围多种类的社区。生物膜的结构,功能和稳定性取决于社会交往的复杂网络,其中的细菌进行信号交换,基质成分和资源,或争夺空间和使用的毒素和抗生素的营养物质。 枯草芽孢杆菌是一种土壤住宅和根定殖细菌,开发高度组织上生物膜社区14。类似于社会昆虫,B.芽孢杆菌细胞雇佣劳动力战略的一个部门,开发细胞外基质的生产者和食人族,运动细胞,休眠孢子和其他细胞类型15,16亚群。分化过程是动态的,并且可以通过环境条件17,18被改变。
由细菌表面定植策略可以在实验室条件下在生长培养基修改琼脂浓度容易操纵。在低琼脂水平(0.2-0.3%),窝藏细菌鞭毛活跃能游泳,而半固体琼脂(0.7-1%琼脂)有利于带动鞭毛社区传播,称为蜂拥19-21。在没有鞭毛的,某些细菌菌株能够通过滑动, 即依赖于生长的人口膨胀由多糖基质和其他分泌疏水蛋白的化合物22-24便利,以便移到半固体介质。最后,细菌这是capabl硬琼脂培养基(1.2-2%)14,17,25生物膜发展形式架构复杂的菌落如虽然这些性状是通过精确调整的条件,在自然栖息地在实验室中检测了这些表面传播的策略可能逐渐从一个过渡到另一个取决于环境条件26。而单一的基于细胞运动是在革兰氏阳性和阴性菌27,B的复杂菌落生物膜的空气-液体界面生物膜发展的开始期间临界枯草不受鞭毛运动28的删除。然而,B的发育过程中的空间组织枯草菌落生物膜取决于用于发起生物膜8的细菌接种物的密度。
在这里,我们使用B.枯草表明,表面殖民化过程中空间隔离取决于种群水平motili机制TY( 即蜂拥或滑动),和菌落生物膜发展取决于创始人的细胞密度。我们提出了可以适用于连续监测微生物生物膜生长,表面定植和品种在宏观尺度的荧光显微镜工具。另外,提出了一种定量方法来确定相对应变丰度的人口。
1.培养基,半固态琼脂和生物膜板,预培养物的制备
将荧光标记的菌株2.联合接种面撒

图1:实验工作流程中的常用的方法是在图中所示,包括准备培养介质,干燥板,接种和荧光显微镜检测(从左至右) 点击此处查看该图的放大版本。
将荧光标记的菌株3.联合接种不同初始细胞密度
标记的菌株4.荧光显微镜检测
5.逸一个分析
细菌种群的实验室系统提供一个有吸引力的方式,探索生态或进化的问题。这里,三B的表面定植模式枯草被用来研究人口品种的出现, 即基因相同的分离,但荧光标记不同的菌株。一窝蜂,这是B的鞭毛依赖集体的地面活动枯草芽孢杆菌 ,结果在高度混合群体。在这些蜂拥殖民地,绿光和红色荧光的细菌定植地区被重叠( 见图2A)。快速曲面定植可以遵循的时间( 视频图1)。在枯草芽孢杆菌的蜂拥,细胞的薄层从孵育几个小时后接种中心扩展(参见图2B)。
4752 / 54752fig2.jpg"/>
图2:B.蜂拥扩张枯草芽孢杆菌蜂拥殖民地包含涨跌互现1绿光和红色荧光菌:接种前1。 (A)(分别的GFP和RFP,)15小时,在绿光和红光荧光后用适当的荧光过滤器进行检测。 (B)蜂拥B.薄层图像枯草芽孢杆菌是从视频图1.比例尺=5毫米提取选定的时间点显示。 请点击此处查看该图的放大版本。
然而,当二枯草杆菌菌株,即缺乏官能鞭毛但能与产生外多糖,疏水和枯草的帮助下进行传播,被发现半固态琼脂培养基上,在不同标记的菌株在某些DEF分离INED扇区( 见图3A)。滑动菌落的发展可以被记录在时间(参见图3B或视频图2)。

图3:滑动B.菌落枯草芽孢杆菌菌落包含涨跌互现1绿光和红色荧光菌:接种前1。 (A)后(分别为GFP和RFP,)24小时,在绿光和红色荧光适当的荧光过滤器进行检测。 (B)中的B的图像滑动盘枯草正在从视频图2.比例尺=5毫米提取选定的时间点显示。 请点击此处查看该图的放大版本。
虽然蜂拥和SLI的分类级别鼎扩大殖民地无法修改,在殖民地生物膜不同标记的荧光菌的空间隔离可以由起始细胞密度的影响。当B的殖民地生物膜枯草用混合种群的高细胞密度启动,绿光和红光的荧光菌株显示轻微或没有空间分类( 见图4)。与此相反,当细胞密度以引发biolfilm低,明确绿光和红光荧光扇区可以通过荧光显微镜进行检测。该品种水平显然取决于生物膜发起人口的稀释水平。 视频图3和4展示用于接种菌株的最低和最高稀释菌落扩大。

图4:在B中的集落的生物膜拼盘水平在枯草(:分别非稀释至稀释起始培养物10 的5倍,从上方到下方)不同初始细胞密度绿光和红光荧光菌株的菌落生物膜后第2天,用不同的初始细胞密度接种被示出。比例尺= 5毫米。 请点击此处查看该图的放大版本。
绿光和红色荧光菌株的比率可以使用ImageJ软件,允许用于该实验的菌株群体结构和竞争力的定量表征可以进一步量化。

视频图1:时间流逝IMAGB.蜂拥的ES 枯草 1开始:1混合绿光和红色荧光的菌株(右击下载)视频显示10小时的时间过程。比例尺= 7毫米。

视频图2:侧滑B.时间推移图像枯草 1开始:1混合绿光和红色荧光的菌株 (右击下载)视频显示24小时的时间过程。比例尺= 5毫米。

视频图3:B.时间推移图像绿色1混合: 枯草殖民地生物膜与1开始-在高细胞密度红色荧光菌(点击下载)。视频显示48小时的时间过程。比例尺= 5毫米。

视频图4:B.时间推移图像在低细胞密度1混合绿光和红色荧光的菌株: 枯草殖民地生物膜与1开始。 (点击下载)。视频显示48小时的时间过程。比例尺= 5毫米。
细菌的荧光工具箱的可用性促进不仅异质基因表达30,31和蛋白定位32的研究,但还菌株的空间分布的群体8内的分析。具有足够不同激发和发射波长的荧光标记物允许清楚本地化两株混合时,否则是无法区分彼此。所描述的协议可以被用于观察菌株或物种间在混合培养物中的人口动态, 例如竞争实验或协同作用。确定相对丰度的荧光标记的菌株在混合群体的能力并不限于表面附蜂拥,滑动,或者生物膜集落,但是也可以用于其他多细胞生物膜系统,包括淹没,流通池或空气介质接口生物膜27,33-35。
_content">虽然提出的技术是,以检测应变和设计竞争实验的空间分布的有力工具,它也允许以下扩大菌落基因表达的异质性。这里所描述的培养条件适用于枯草芽胞杆菌和对扩张的确切参数琼脂介质可能,需要为其它物种或菌株20的优化。在孵育室放置样品而成像允许实验者跟随人口动态时刻虽然应当重视的孵育期间在腔室中的湿度水平。此处所描述的技术还需要检测细菌菌株的遗传修饰,使得该菌株表达可以从彼此区分的荧光标记。此外,除了具有不同激发和发射光谱时,建议这两个选择的荧光标记物也有类似的定量微米的产率和在一个水平相当表示( 即发射吸收的光子的比率)。此外,在时间的相对强度的变化可被测量并归一化到一个实验的早期时间点。的相对增加或减少可以与不同的量子效率不同的荧光团之间可以进行比较。对于所提出的实验系统,不同的绿光和红色荧光蛋白先前测试36,37选择为可以在B中检测出的最优化的荧光对枯草 。最佳曝光时间应为每个荧光蛋白和样品来确定。可能需要一定的细胞密度或细胞的多个层的人口内有效地检测该信号。某些荧光蛋白可能具有在细菌细胞由于低效的表达和/或蛋白质的翻译,因此低量子产率低的强度。这种低效率的荧光标记物可以ř得出该系统的灵敏度和扩大检测细菌菌株可能导致细胞毒性由激发光所需要的时间。的荧光强度可以通过改变用于表达荧光报道编码基因的启动子作相应的修改。的表达水平太高可能导致荧光蛋白导致对细菌有害健身成本的不必要的生产过剩。当执行竞争实验,应该考虑特定荧光蛋白生产中的单元的成本。对照实验,其中荧光标记的竞争菌株或在两个基因株只有在他们的荧光标记的不同会相互竞争之间交换,总是需要来确定对一个标记任何偏见。在细胞内的荧光蛋白的寿命也可能会影响测量的强度。此外,某些细菌物种的自发荧光S可能会发生需要使用比这里所描述的其它不同的荧光标记物。
精确地确定不同细菌菌株的空间分布与丰度,从第一荧光蛋白始发,同时使用用于第二荧光标记物,反之亦然荧光滤波器背景信号应单独对单一样品进行测试(含有产生仅一个标记的细菌)。这允许重叠的荧光信号强度的减法。重要的是,作为立体显微镜从膨胀菌落上述记录荧光信号,所提出的协议是方便的确定在两个维度的空间排列。膨胀细菌群体的体系结构,可能会导致不同的荧光水平( 即皱纹状结构可能包含更多的细胞显示更高的局部荧光强度)。因此,图像的描述分析ðetermines的空间分布,而不是大量的应变的一定位置内。上一页协议描述的样品制备用于细菌菌落38蜂拥人口动态20或荧光成像,但我们的协议结合了这些技术。其它显微技术允许人口结构的三维分辨率( 例如共焦激光扫描显微镜39,40或结构照明显微镜41)的观察可以应用于具有增加结构的复杂性的样品。这些附加技术也支持菌株31用立体显微镜不可用的单细胞基于检测。
作者宣称,他们没有竞争的经济利益。
这项工作是由德意志研究联合会(DFG)资助的资助KO4741 / 3-1。此外,Á.TK实验室是由玛丽·居里罗多夫斯卡集成事业补助金(PheHetBacBiofilm),并授予来自DFG KO4741 / 2-1的支持。 TH,AD,RG-M,和EM被国际马克斯·普朗克研究学院分别,亚历山大·冯·洪堡基金会,理事会全国国立西恩西亚ŸTECNOLOGIA,德意志学术交流中心(国家科学技术委员会-DAAD)和JSMC奖学金支持。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Lennox 肉汤 (LB) | Carl Roth GmbH | X964 | |
| 琼脂,神户 I | Carl Roth GmbH | 5210 | |
| 培养皿(直径 90 mm) | 任何 | NA | 使用不带通风凸轮的培养皿 |
| 培养皿(直径 35 mm) | 任何 | NA | 使用不带通风凸轮的培养皿 |
| Difco 营养肉汤 | BD Europe | 234000 | |
| KCl | 任何 | NA | |
| MgSO,4 7H2O | 任何 | NA | |
| Ca(NO3)2 4H2O | 任何 | NA | |
| MnCl24H<>2O | 任何 | NA | |
| FeSO4 | 任何 | NA | |
| D-葡萄糖 | 任何 | NA | |
| strong>荧光AxioZoom V16延时显微镜 | Carl Zeiss Microscopy GmbH< | strong>见下面的详细描述 | |
| AxioZoom V16显微镜体 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 435080 9030 000 | |
| 光电管 Z 100:0 用于 Axio Zoom V16 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 435180 9020 000 | 不带目镜 |
| 荧光照明器 Z mot 荧光中间管 用于 Axio Zoom.V16 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 435180 9060 000 | |
| 控制器 EMS 3 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 435610 9010 000 | |
| 系统控制面板 SYCOP 3 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 435611 9010 000 | |
| 反射器模块 Z | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 435180 9160 000 | 用于 Axio Zoom.V16 和 SYCOP 3 上的荧光照明器 Z mot |
| 滤光片组 38 HE eGFP 无偏移 (E) | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 489038 9901 000 | EX BP 470/40, BS FT 495, EM BP 525/50 |
| 滤光片组 63 HE mRFP 无偏移 (E) | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 489063 0000 000 | EX BP 572/25, BS FT 590, EM BP 629/62 |
| Mount S | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 435402 0000 0000 | |
| Objektive PlanApo Z 0.5x/0.125 FWD 114 mm | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 435280 9050 000 | 164 mm 齐焦长度;M62x0.75 前螺纹 |
| 粗/精驱动 带型材柱 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 435400 0000 000 | 490 mm,10 kg 负载能力,兼容支架底座 300/450 |
| 支架底座 450 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 435430 9902 000 | |
| 冷光源 蔡司 CL 9000 LED CAN | 卡尔蔡司显微镜有限公司 | 435700 9000 000 | |
| CAN 总线电缆 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 457411 9011 000 | 2.5 m 长 |
| 狭缝环照明器 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 417075 9010 000 | d = 66 mm |
| 柔性光导 1500 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 417063 9901 000 | 8/1,000 mm |
| 照明适配器适用于光导 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 000000 1370 927 | |
| 带液体填充的光导 HXP | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 000000 0482 760 | ø3 毫米 x 2,000 毫米 |
| 相机适配器 60N-C | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 426113 0000 000 | 2/3" 0.63X |
| 高分辨率显微镜相机 AxioCam MRm Rev. 3 FireWire | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 426509 9901 000 | |
| AxioCam FireWire 触发电缆套件 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 426506 0002 000 | 用于直接快门同步 |
| ZEN pro 2012 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 410135 1002 120 | 蓝色版,需要最少。Windows 7 64 位 |
| ZEN 模块延时 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 410136 1031 110 | |
| 标准加热台顶部培养箱 | Tokai Hit | INUL-MS1-F1 | |
| 蔡司立体显微镜底座适配器 | Tokai Hit | MS-V12 | |
| Softwares | |||
| ImageJ | 贝塞斯达国立卫生研究院, MD, 美国 | v 1.49m | |
| BioVoxxel 插件 | BioVoxxel | http://www.biovoxxel.de/development/ |
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