本文介绍了一种基于单细胞落射荧光显微镜技术的实验方案,可高精度、高分类分辨率地定量测定水生真核捕食生物的摄食速率。
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本文介绍了一种基于单细胞落射荧光显微镜技术的实验方案,可高精度、高分类分辨率地定量测定水生真核捕食生物的摄食速率。
阐明营养相互作用(如捕食及其影响)是许多生态学研究人员的常见任务。微生物群落的研究存在诸多局限性,确定捕食者、猎物及捕食速率往往十分困难。本文介绍了一种优化方法,该方法基于添加荧光标记的猎物作为示踪剂,可对水生真核捕食者的摄食速率进行可靠定量,并估算营养物质向更高营养级的转移情况。
异养原核生物是水生系统中的关键生物组分,占浮游生物生物量的显著比例1,2,3。控制其丰度、多样性和活性的因素对于理解其在生物地球化学循环中的作用至关重要(即有机碳和其他营养物质的去向,以及能量从原核生物向更高营养级的传递)。原生动物的摄食是其中一个重要因素。异养纳米鞭毛虫和纤毛虫对细菌的摄食 对原核生物的丰度、群落功能、结构、多样性,甚至特定细菌类群的细胞形态和生长速率产生强烈的自上而下控制作用4,5,6。在某些系统中,原生生物是细菌死亡的主要原因6,7。
目前用于评估原生动物细菌摄食作用的标准方法已使用了一段时间,该方法涉及使用荧光标记的细菌(FLB)作为猎物类似物,并结合落射荧光显微镜技术。通过在选定的时间段内定量原生生物食物泡中被标记的猎物颗粒数量,可确定细胞特异性的摄食速率8。该方法具有多个优势:示踪剂被加入含有天然捕食者和猎物群落的自然样品中;在孵育前对样品的操作最少,添加的FLB示踪剂对样品的干扰最小,且孵育时间较短,从而确保在接近原位条件下获得可靠结果。另外,在以细菌摄食性原生生物或浮游动物数量较少的环境(例如远海海洋系统)中,可通过流式细胞术检测在长期(12–24小时)孵育实验中以低浓度(2%–3%示踪剂)添加至样品中的FLB的消失速率。随后,通过流式细胞术定量孵育开始和结束时FLB的数量(整合所有细菌摄食者的总体影响)(具体方法详见先前发表的研究9)。然而,该参数仅反映总的综合细菌摄食速率,无法直接归因于特定的原生生物或浮游动物摄食类群或物种。
总体而言,准确且具有生态学意义地量化水生环境中原生生物物种或形态型特异性的细菌死亡率具有挑战性。一些原生生物具有选择性摄食行为,而添加的荧光标记细菌(FLB)示踪剂的大小和细胞形态可能扭曲其自然摄食率10,11。此外,原生生物的活性和代谢对温度高度敏感12;因此,针对每种特定样品类型,所添加FLB示踪剂的用量必须谨慎调控(不仅需依据细菌的自然丰度、大小和形态,以及主要存在的噬菌性原生生物类型,还需考虑温度因素)。大多数研究集中于原生生物群体的整体摄食活性;然而,特定原生生物物种的噬菌行为通常具有更高的信息价值,可能更值得研究。在此情况下,需要了解样品中存在原生生物物种的分类学知识及其行为特征。因此,要获得归因于某一特定原生生物类群或物种的种特异性噬菌速率的可靠结果,往往需要投入大量时间和人力。
尽管存在这些困难,该方法仍是目前在自然环境中评估原生生物噬菌性的最适宜工具。本文介绍了一种在水生微生物生态学研究中使用荧光标记细菌(FLB)作为示踪剂的全面且易于遵循的方法。文中充分考虑了该方法所涉及的各种问题,并描述了改进后的实验流程,同时以两个来自不同环境及不同纤毛虫物种的实验作为示例。
第一项案例研究是在捷克共和国中营养水平的日莫夫水库(Římov water reservoir)的表水层环境中进行的,该环境中的食草生物和细菌丰度与大多数地表淡水水体相似(参见5,7)。第二项案例研究则在水生食虫植物 Utricularia reflexa 捕虫囊内的高度特化环境中开展,该环境含有极高数量的以混合营养方式摄食的纤毛虫(Tetrahymena utriculariae)以及细菌细胞。文中展示了在这两类样品中测定的细胞特异性摄食速率和细菌现存量的计算方法。随后讨论了结果的多种生态学解释,并最后提出了若干可能的后续研究方向。
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1. 样品采集
2. 样品采集后的固定
3. 样品过滤
4. 滤膜上细菌数量的计数
5. 确定原生生物丰度
6. 浮游生物样品中纤毛虫群落结构的确定
注意:淡水生境中的纤毛虫群落具有高度多样性14,15,16,18,其显微鉴定具有挑战性。将纤毛虫类群划分为功能类群10,14,16,17,有助于更详细地分析不同纤毛虫类群作为浮游细菌食性生物的生态功能。
7. 纤毛虫摄食速率的估算
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示例实验 I 在捷克南波希米亚的Římov水库进行,该水库是一个天然水体,其中天然原位捕食者和猎物的丰度较低。文中报告了杂食性纤毛虫Halteria grandinella的代表性数据,该物种是广泛存在且高效摄食微小型浮游生物(<2 µm)颗粒的纤毛虫10,16,17,18,22。图3展示了来自Římov水库的Halteria sp. 每个细胞所摄取FLB数量的箱线图(图3A),并将其换算为每小时细菌摄食速率(图3...
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解析水生系统中的营养级相互作用一直具有挑战性28,尤其是在涉及原生生物及其猎物——细菌的纳米级浮游生物尺度上。当研究涉及营养吸收途径及其定量时,由于生物相互作用的高度复杂性,原本在较高营养级中成功应用的方法(例如稳定同位素标记法)往往难以适用。本实验方案展示了利用落射荧光显微镜结合荧光标记细菌作为示踪剂的优势,可用于追踪并半定量/估算碳流(细菌猎物:多种原生生物摄食者,包括混合营养型摄食者29)在微生物食物网基础环节的传递路径。该方法的优势之一在于单细胞水平的高准确性,另一优势则在于能够以前所未有的分辨率解析摄食者群落结构,并区分不同的功能类群、物种(实验I),甚至同一物种的不同亚群(实验II)。
实验方案中的关键步骤
本方案中有若干关键步骤,可确保该方法的优势得到充分发挥。首先,在实验开始前对研究环境有基本了解总是有益的。这包括对环境中潜在的摄食者种类与丰度、细菌猎物的大小以及猎物分布进行显微观察,具体包括两个方面:1)水体中的垂直分布(例如,从表水层到深...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究得到了捷克科学基金会研究项目13-00243S和19-16554S的资助,分别授予K. Š.和D. S.。本文还得到了欧洲区域发展基金在研究、开发与教育运行计划下资助的项目"生物操纵作为改善水库水质的工具”(项目编号CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_025/0007417)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.2-µm 孔径滤膜 | SPI 供应,https://www.2spi.com/ | B0225-MB | 黑色聚碳酸酯核孔膜滤膜,直径需与所用过滤装置匹配 |
| 5-(4,6-二氯-2-三嗪基)氨基荧光素(DTAF) | 任何品牌 | ||
| 可调体积移液器 | 任何品牌,各种规格 | ||
| 离心 | 22 000 × g | ||
| 冻存管 | 任意品牌,2 mL 规格 | ||
| DAPI(4´,6-二氨基-2´-苯基吲哚二盐酸盐 | 任何品牌 | 1 mg ml-1 | |
| 落射荧光显微镜 | 400 倍至 1000 倍的放大倍数 | ||
| 适用于观察 DAPI 和 DTAF 范围的滤光片 | |||
| 目镜中的计数网格 | |||
| 过滤装置 | 通常直径为25 mm | ||
| 甲醛 | 显微镜品牌 | ||
| 戊二醛 | 显微镜品牌 | ||
| 显微镜用浸油 | 低荧光特异性油 | ||
| Lugol´s溶液 | 任何品牌或参见评论 | 配制碱性Lugol溶液,步骤如下:溶液1——溶解 10 g 碘化钾溶于 20 ml 去离子水,然后加入 5 g 碘。溶液 2 — 加入 5 g 醋酸钠 加入50 ml超纯水中。将溶液2加入溶液1中,并充分混匀。 | |
| 甲醇稳定的福尔马林 | 任何可用于显微镜观察的品牌 | ||
| 显微镜载玻片和盖玻片 | 任何用于显微镜观察的品牌 | ||
| 用于稀释样品的MQ水 | 任何品牌 | ||
| 磷酸盐缓冲盐水(PBS;pH = 9) | 任何品牌 | 0.05 M Na2高倍物镜4- 氯化钠溶液,调节至 pH 9 | |
| PPi-生理盐水缓冲液 | 任何品牌 | 0.02 M Na4P2O7- NaCl 溶液。加入 0.53 g Na4P2O7 至 100 ml 去离子水,加入 0.85 g NaCl | |
| 采样装置 | 适用于获取代表性样本 | 例如用于湖泊浮游生物的弗里丁格采样器 | |
| 硫代硫酸钠溶液 | 任何品牌 | 3% 溶液用于本方案 | |
| 超声波破碎仪 | 任何品牌 | 30 W | |
| 涡旋 | 任何品牌允许 溶质与样品的充分混匀 | ||
| 水浴锅 | 任何可将温度维持在60的品 °C |
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