徐嘉康,王勁松,方怡涵,楊金龍,3,梁簫*
( 1.上海海洋大學 國家海洋生物科學國際聯合研究中心,上海 201306;2.上海海洋大學 水產種質資源發掘與利用教育部重點實驗室,上海 201306;3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州),廣東 廣州 511458)
厚殼貽貝(Mytilus coruscus)和大多數海洋無脊椎動物一樣,幼蟲在發育到一定階段后會經歷“附著變態”而發育成稚貝、長成成貝[1-2]。同時,厚殼貽貝的稚貝或成貝在周圍生活環境發生變化時會自動切斷足絲,爬到其他生態位尋找到新的附著基質后,經過“二次附著”后在新的環境中生長[1-5]。厚殼貽貝作為我國重要的海水經濟貝類之一,附著變態的成功與否直接影響育苗過程中的苗種產量和質量,稚貝的二次附著則影響貽貝的包苗和中間培育,因此在厚殼貽貝的養殖產業中,幼蟲附著變態和稚貝二次附著是決定其經濟效益與發展前景的重要技術環節。
海洋細菌所形成的生物被膜在海洋無脊椎動物的生長發育過程中扮演著重要的角色[6-8]。研究表明 ,Shewanella[9]、Vibrio[10-11]、Pseudoalteromona[12-13]、Bacillus[13]等屬的海洋細菌都能調控厚殼貽貝幼蟲的附著變態和稚貝的二次附著。海洋細菌種類多種多樣且分布廣泛,在海水、海洋沉積物和海洋生物體內均能發現并分離[13-15]。然而,并非所有海洋細菌都適合于實際生產應用,例如弧菌在一定條件下會具有一定的致病性[16-19],這一特性使得在養殖過程中對貽貝健康和產品的品質管控存在一定的風險[20-22],所以在實際的貽貝生產應用中,選取一種有效且安全的細菌至關重要。
腸道細菌在脊椎動物和無脊椎動物中均能發現其蹤跡,并在一定的相互作用下形成較穩定的微生態系統[23]。腸道細菌種類豐富而且數量龐大,具有提高宿主的免疫力、調節生長發育、提高腸的屏障功能等[24-25]特殊的生理功能。研究表明[13],一些腸道細菌可以促進厚殼貽貝稚貝進行二次附著,但腸道細菌能否誘導其幼蟲的附著變態以及腸道細菌、生物被膜、貝類的附著行為三者之間的關系等問題報道較少。
本研究從厚殼貽貝的腸道中分離出10株細菌分別形成生物被膜,檢測其對厚殼貽貝幼蟲附著變態和稚貝二次附著的影響,篩選出在誘導厚殼貽貝附著過程中有高、低誘導活性的腸道細菌,對其所形成生物被膜的胞外產物的分布和量進行分析,旨在通過本研究闡明厚殼貽貝的附著與不同種類的腸道細菌之間的關系,為腸道細菌在貝類人工育苗和海區養殖過程中的應用提供理論依據。
從浙江省嵊泗縣枸杞島附近海域(30.72°N,122.76°E)取回實驗所需的成體厚殼貽貝。取回時殼長為(9.5±0.5)cm,殼高為(4.7±0.5)cm。
本實驗所使用的厚殼貽貝眼點幼蟲和稚貝源于東海貽貝科技創新服務有限公司。眼點幼蟲殼長為(279.5±21.5)μm,殼高為(247.0±17.5)μm,稚貝殼長為(0.85±0.15)mm,殼高為(0.56±0.11)mm。
2.2.1 腸道細菌的分離
將腸道細菌從成體厚殼貽貝腸道中分離的方法參照Li等[26]的方法,使用滅菌的解剖剪將腸道從成體厚殼貽貝中分離并置于離心管中,刮取腸道內壁物質于滅菌過濾海水(Autoclaved Filtered Sea Water, AFSW)中,將所得到的細菌懸浮液進行梯度稀釋10 000倍后用于分離細菌,所分離的菌株都儲存在含有30%甘油的0.9%NaCl的溶液中,并置于實驗室-80℃冰箱中低溫保存。
2.2.2 腸道細菌16S rRNA基因測序
細菌16S rRNA基因序列PCR擴增及序列比對參照Li等[26]的實驗方法,使用細菌基因組DNA試劑盒(上海博彩生物科技有限公司)提取細菌DNA,將提取的DNA序列PCR擴增后送到上海生工生物工程有限公司進行基因測序,將所得到的基因序列上傳至NCBI數據庫獲得 Accession No.等信息。
2.2.3 系統發育分析
系統發育分析參照楊金龍等[2]的方法,使用MEGA 6.06程序進行測序,序列與其近源物種的16S rRNA基因序列比對。系統發育分析使用最大簡約法、最小進化法和鄰接法3種方法進行構建,物種間遺傳距離使用Jukes-Cantor法。選取大腸桿菌(Escherichia coli)(序列號為 AONF01000005.1)作為外群序列來進行構建系統發育樹。
2.3.1 生物被膜的制備
參照楊金龍等[2]的方法來制備實驗所需的單一細菌生物被膜,分離純化得到的單株腸道細菌使用ZoBell 2216E培養基在25℃的黑暗條件下進行擴大培養,培養24 h后在3 500 r/min 的條件下離心15 min,倒掉培養液用AFSW清洗3次,用50 mL AFSW懸浮所得到的細菌,按照實驗所需的 1×106cells/mL、1×107cells/mL、 1×108cells/mL、 3×108cells/mL、 5×108cells/mL和1×109cells/mL這6個初始細菌密度計算加入滅菌培養皿中的細菌懸浮液體積,在18℃的黑暗條件下培養48 h得到實驗所需的生物被膜。
2.3.2 生物被膜的細菌密度計數
參考Yang等[27]的方法來對生物被膜上的細菌進行計數,使用5%甲醛溶液將生物被膜固定24 h,固定后使用0.1%吖啶橙染液避光染色5 min,染色后去除多余染液,避光晾干后置于熒光顯微鏡(奧林巴斯BX51)×1 000放大倍率下進行觀察,每株細菌的每個初始細菌密度設置3個平行組,每個平行組隨機取10個視野計算細菌密度。其計算公式為

2.3.3 生物被膜形態及厚度分析
生物被膜形態及厚度分析按照Yang等[27]的方法,選取在 5×108cells/mL濃度下對Bacillussp.4和Phaeobactersp.1的生物被膜進行分析。使用5%甲醛溶液將生物被膜固定24 h,用5 mg/L的碘化丙啶(PI)溶液避光染色15 min,避光晾干后在徠卡激光共聚焦掃描顯微鏡(Leica TCS SP8)×630放大倍率下拍攝,使用FV10-ASW 3.0軟件獲取激光掃描聚焦顯微鏡(Confocal Laser Scanning Microscope, CLSM)圖像,分析生物被膜細菌胞外產物含量。
2.4.1 厚殼貽貝幼蟲附著變態實驗
厚殼貽貝幼蟲附著變態實驗參考Yang等[27]的方法,在高溫滅菌的玻璃培養皿中放入附有生物被膜的載玻片,加入20 mL AFSW和20個幼蟲,在18℃黑暗條件下培養24 h、48 h、72 h和96 h后記錄幼蟲的附著變態率,每株實驗細菌的各個初始細菌密度均設9個平行組,以高溫滅菌的沒有生物被膜黏附的潔凈載玻片作為對照組。
2.4.2 厚殼貽貝稚貝附著實驗
厚殼貽貝稚貝附著實驗參考楊金龍等[2]的方法,在高溫滅菌的玻璃培養皿中放入附有生物被膜的載玻片,加入20 mL AFSW和10個稚貝,在18℃黑暗條件下培養6 h、12 h、24 h和48 h 后記錄稚貝的附著率,每株實驗細菌的各個初始細菌密度均設9個平行組,以高溫滅菌的沒有生物被膜黏附的潔凈載玻片作為對照組。
2.5.1 生物被膜的熒光染色
參考Peng等[12]的方法對生物被膜進行染色,在5×108cells/mL濃度下對Bacillussp.4和Phaeobactersp.1的生物被膜進行分析。生物被膜分別使用DiD’oil、FITC、ConA-TMR和CFW染液對胞外脂類、蛋白質、α-多糖和β-多糖進行避光染色25 min,其中進行胞外蛋白質染色的生物被膜需提前使用5%甲醛溶液固定24 h,染色后去除多余染液,避光晾干后在徠卡激光共聚焦掃描顯微鏡(Leica TCS SP8)×630放大倍率下拍攝,使用FV10-ASW 3.0 軟件獲取CLSM圖像,分析生物被膜細菌胞外產物含量。
2.5.2 CLSM 圖像分析
CLSM 圖像分析方法按照Peng等[12]的分析方法。使用Image J軟件(美國國家衛生研究院)計算生物被膜的生物體積,生物體積表示生物被膜胞外產物的單個成分的量。其計算公式為

數據處理按照楊金龍等[2]的方法,使用JMP軟件進行數據分析和相關性檢驗。相關性分析方法使用Spearman'多元分析方法分析,其中p為檢驗值,p小于0.05時說明具有顯著性的差異。
本實驗所分離純化的10株腸道細菌的信息見表1。本實驗所分離的細菌均為不同的菌屬,其中Bacillussp.4屬于厚壁菌門,Flavobacteriumsp.1、Arenibactersp.1、Mesoflavibactersp.1和Tenacibaculumsp.3屬于擬桿菌門,而另外5株細菌Paracoccussp.2、Pseudoalteromonassp.30、Ruegeriasp.2、Ahrensiasp.1和Phaeobactersp.1 屬于變形菌門。不同腸道細菌的表型如圖1所示。

圖1 實驗所用貽貝腸道細菌的表型Fig.1 Phenotypes of the different bacterial strains from mussel intestinal in tested

表1 腸道細菌16S rRNA基因序列分析Table 1 16S rRNA gene sequence analysis of the intestinal bacterial strains
本實驗中的10株腸道細菌在測試時間內對厚殼貽貝附著的誘導活性趨勢基本相同,因此幼蟲僅展示48 h、稚貝僅展示24 h的誘導活性結果。如圖2A所示,所用腸道細菌均具有誘導活性,幼蟲的稚貝率為10%~50%。Bacillussp.4具有最高的誘導活性(p<0.05),誘導活性為(42.78±1.21)%,Phaeobactersp.1具有最低的誘導活性,誘導活性為(10.50±1.30)%。
如圖2B所示,所用腸道細菌均具有誘導活性,稚貝的附著率為20%~95%。Phaeobactersp.1具有最高的誘導活性(p<0.05),誘導活性為(92.22±2.35)%,Flavobacteriumsp.1具有最低的誘導活性,誘導活性為(20.00±1.75)%。

圖2 不同腸道細菌對厚殼貽貝的誘導作用Fig.2 Induction of settlement of Mytilus coruscus on the different intestinal bacterial biofilms
在本實驗中,所測試的10株腸道細菌的最終細菌密度會因為初始細菌密度的變化呈現出不同的趨勢,實驗所用腸道細菌大部分在5×108cells/mL時成膜效果最好,因此這里選取在5×108cells/mL時形成生物被膜的細菌密度進行展示。10株腸道細菌中Flavobacteriumsp.1的細菌密度最高,和除Phaeobactersp.1以外的 8株細菌均有顯著性差異(p<0.05),Arenibactersp.1的細菌密度最低(圖3)。

圖3 不同腸道細菌生物被膜的細菌密度Fig.3 The bacterial density of different intestinal bacterial biofilms
10株細菌生物被膜的細菌密度與其對厚殼貽貝幼蟲和稚貝誘導活性的相關性關系見表2。10株腸道細菌中Paracoccussp.2、Pseudoalteromonassp.30和Ruegeriasp.2對幼蟲和稚貝誘導活性均顯著相關(p<0.05)。Bacillussp.4 和Ahrensiasp.1 對幼蟲的誘導性顯著相關(p<0.05)。Flavobacteriumsp.1、Arenibactersp.1和Phaeobactersp.1對稚貝的誘導活性顯著相關 (p<0.05)。Mesoflavibactersp.1和Tenacibaculumsp.3對幼蟲和稚貝的誘導活性均不相關(p>0.05)。

表2 細菌密度與誘導活性的相關性分析Table 2 Correlation analyses between the bacterial density and inducing activity
通過3種分析進行腸道細菌的系統發育發現,所得到的結果一致,因此本研究以鄰接法的分析結果進行展示(圖4),表3為本研究所用細菌的遺傳距離。結果顯示,Paracoccussp.2與Flavobacteriumsp.1的遺傳距離為0.011,是測試腸道細菌中遺傳距離最近的。上述2株細菌聚為一支后與Ruegeriasp.2及Phaeobactersp.1聚為一支。這一分支再與同屬于變形菌門的Bacillussp.4、Ahrensiasp.1和屬于厚壁菌門的Pseudoalteromonassp.30這3株細菌聚為另一分支,最后再和Arenibactersp.1、Mesoflavibactersp.1和Tenacibaculumsp.3這3株細菌聚類。

表3 本實驗中腸道細菌的遺傳距離Table 3 Genetic distances of intestinal bacterial in tested

圖4 本實驗中腸道細菌的系統進化樹Fig.4 Phylogenetic tree of intestinal bacterial in tested
通過CLSM圖片明顯發現,Bacillussp.4和Phaeobactersp.1生物被膜的狀態明顯不同(圖5A)。Phaeobactersp.1的膜厚為(8.86±0.25)μm,且Phaeobactersp.1比Bacillussp.4的細菌分布更加的聚集。

圖5 Bacillus sp.4和Phaeobacter sp.1的生物被膜圖像(A)及膜厚(B)Fig.5 Biofilm images (A) and biofilm thickness (B) of Bacillus sp.4 and Phaeobacter sp.1
通過分析膜厚和誘導活性的相關性發現(表4),Bacillussp.4的膜厚與幼蟲和稚貝的誘導活性均不相關(p>0.05);Phaeobactersp.1 的膜厚與稚貝的誘導活性顯著相關(p<0.05)而對幼蟲的誘導活性不相關(p>0.05)。

表4 膜厚與誘導活性的相關性分析Table 4 Correlation analyses between the biofilm thickness and inducing activity
如圖6所示,2株細菌胞外產物中蛋白質、α-多糖和β-多糖的分布和含量具有顯著性差異(p<0.05)。Bacillussp.4的胞外蛋白質、α-多糖和β-多糖含量顯著高于Phaeobactersp.1(p<0.05),Bacillussp.4 分泌胞外產物的能力高于Phaeobactersp.1。

圖6 生物被膜的CLSM圖像分析Fig.6 The analysis of CLSM images of biofilms
通過分析胞外產物與其誘導活性的相關性發現(表5,表6),Bacillussp.4 的胞外產物中,胞外蛋白、α-多糖和β-多糖與幼蟲的誘導活性顯著相關(p<0.05),而胞外脂類與幼蟲的誘導活性不相關(p>0.05)。α-多糖與稚貝的誘導活性顯著相關且呈負相關性(p<0.05),而脂類、蛋白質和β-多糖與對稚貝的誘導活性不相關(p>0.05)。

表5 胞外產物與幼蟲誘導活性的相關性分析Table 5 Correlation analyses between extracellular product and inducing activity of larvae

表6 胞外產物與稚貝誘導活性的相關性分析Table 6 Correlation analyses between the extracellular product and inducing activity of plantigrade
Phaeobactersp.1形成的生物被膜胞外產物中,蛋白質與幼蟲的誘導活性顯著相關且呈負相關性(p<0.05),而脂類、α-多糖和 β-多糖與幼蟲的誘導活性不相關(p>0.05)。α-多糖與稚貝的誘導活性顯著相關(p<0.05),而脂類、蛋白質和 β-多糖與稚貝的誘導活性不相關(p>0.05)。
本研究所測試的10株厚殼貽貝腸道細菌均為不同的菌屬,經培養都能夠形成生物被膜,并且最終形成生物被膜的細菌密度會根據初始細菌密度變化而變化,具體變化趨勢根據菌種的不同具有不同的趨勢。10株腸道細菌形成的生物被膜對厚殼貽貝幼蟲和稚貝均具有誘導活性,并且因菌種不同表現出不同的誘導活性,這表明,細菌菌種與誘導活性之間沒有必然聯系,這與以往的研究結果一致[2,4,13,26-27]。
以往研究表明,在厚殼貽貝腸道及東海近海海區的自然生物被膜中均分離出相同的菌屬。與本研究相比較,在2017年研究中[13],從厚殼貽貝腸道分離出與本研究相同的Tenacibaculum、Bacillus、Ruegeria和Paracoccus菌屬;從自然生物被膜中也曾分離出Tenacibaculum[4,26-27]、Bacillus[4,28]和Pseudoalteromonas[4,26-28]3個與本研究相同菌屬的細菌。以往研究已證明了宿主生存的環境會影響腸道細菌的群落[29-30],腸道作為厚殼貽貝主要的消化器官,可能會因濾食作用將環境中的細菌攝入到腸道內,因此推測,本研究的10株細菌可能來源于厚殼貽貝生存的外界環境。
在以往的研究中,單一菌株形成生物被膜后的細菌密度、膜厚、胞外產物等生物學特性與海洋無脊椎動物幼蟲附著變態具有一定的相關性。Peng等[12]的研究發現,7株Pseudoalteromonas中有3株的生物被膜細菌密度與M.coruscus幼蟲誘導活性呈顯著相關性,與另外4株細菌無相關性。Bao等[31]的實驗結果發現,5株細菌中僅有Alteromonassp.1這1株的細菌密度與Mytilus galloprovincialis幼蟲的誘導活性呈顯著相關性。Tran和Hadfield[32]的研究中,僅有Pseudoalteromonas luteoviolacea細菌生物被膜的細菌密度與Pocillopora damicornis幼蟲的誘導活性呈顯著相關性,其余細菌與誘導活性均沒有相關性。在本研究所測試的10株腸道細菌被膜的細菌密度與誘導活性中,有5株細菌呈相關性,另外5株無相關性,表明細菌呈現出相關性不具有普遍性,因而生物被膜的細菌密度并不是影響厚殼貽貝幼蟲附著變態的主要因素。
根據Yang等[27]的研究發現,誘導活性無顯著差異的Tenacibaculumsp.1和Pseudoalteromonassp.1的膜厚和其他測試的細菌相比有顯著差異。本研究中,Phaeobactersp.1形成的生物被膜的膜厚顯著高于Bacillussp.4,但Bacillussp.4的誘導活性顯著高于Phaeobactersp.1,因此生物被膜的膜厚不是影響厚殼貽貝幼蟲附著變態的主要因素。本研究針對細菌的遺傳進化對厚殼貽貝幼蟲的附著變態誘導活性相關性分析,結果表明具有較遠遺傳距離的Bacillussp.4和Arenibactersp.1的誘導活性無差異,遺傳距離較近的Ruegeriasp.2和Flavobacteriumsp.1有顯著性差異。這一結果證明了細菌遺傳距離與誘導活性之間沒有必然聯系,與以往研究結果一致[27]。
Peng等[12]的研究表明,胞外產物中的表面活性物質可以促進厚殼貽貝幼蟲的附著行為和附著變態率。Liang等[33]的研究表明,ΔfilP菌株分泌的鞭毛蛋白可以促進厚殼貽貝幼蟲的附著變態,Peng等[34]的研究表明,Δ01912菌株的胞外產物可拉酸過量分泌同樣可以促進厚殼貽貝幼蟲的附著變態。本研究發現,具有高誘導活性的Bacillussp.4生物被膜胞外產物中胞外蛋白、α-多糖和β-多糖的含量顯著高于Phaeobactersp.1。通過對胞外產物和誘導活性相關性分析發現,2株腸道細菌的胞外蛋白與厚殼貽貝幼蟲的誘導活性均具有顯著相關性,但與Phaeobactersp.1呈現為負相關。因而,α-多糖和β-多糖在誘導厚殼貽貝幼蟲中起重要作用,胞外蛋白會因菌屬的不同而影響厚殼貽貝幼蟲的附著。
在以往單一菌株形成生物被膜對厚殼貽貝稚貝的研究中發現,實驗所用細菌中,大部分細菌生物被膜的細菌密度與誘導活性呈顯著相關性。本研究中,10株細菌中有6株的細菌密度與誘導活性呈相關性。梁簫等[9]的研究結果發現,厚殼貽貝稚貝的附著率會根據弧菌形成生物被膜的膜厚變化而變化,且變化趨勢相同。本研究中,同一初始細菌密度下形成的生物被膜,高誘導活性的Phaeobactersp.1的膜厚顯著高于Bacillussp.4。相關性分析表明,Phaeobactersp.1的膜厚和誘導活性之間是顯著相關的。由此可見,生物被膜的細菌密度、膜厚可以影響厚殼貽貝稚貝的附著。而細菌的遺傳進化與厚殼貽貝稚貝的附著沒有相關性[2,4,13]。本研究中,遺傳距離最近的Paracoccussp.2和Flavobacteriumsp.1的誘導活性具有顯著性差異,遺傳距離最遠的Bacillussp.4和Tenacibaculumsp.3的誘導活性沒有顯著性差異。這一結果和細菌遺傳進化與誘導活性之間無必然聯系的結論相一致。
生物被膜胞外產物對厚殼貽貝稚貝的附著起重要作用。梁簫等[10]的實驗結果發現,3株弧菌生物被膜胞外多糖含量與形成時間有關,隨時間增加,胞外多糖含量先增多再減少,胞外多糖含量變化與3株弧菌生物被膜對厚殼貽貝稚貝的誘導活性結果相似。本研究中,2株腸道細菌的生物被膜胞外產物中,α-多糖與誘導活性均呈顯著相關,但Bacillussp.4呈現為負相關。因而,α-多糖可能在誘導厚殼貽貝稚貝中發揮了重要作用,存在會因菌屬的不同而影響厚殼貽貝稚貝的附著。
以往研究中,單一細菌生物被膜對厚殼貽貝幼蟲和稚貝呈現出相同或相似的誘導活性。高偉等[35]和梁簫等[9]的研究中,Shewanella loihica對厚殼貽貝幼蟲和稚貝均具有中等誘導活性;周軒等[28]和 Peng 等[12]的研究中,Pseudoalteromonas marina對厚殼貽貝幼蟲和稚貝均具有中等誘導活性。在本研究中同樣發現Paracoccussp.2和Pseudoalteromonassp.30對幼蟲和稚貝均具有中等誘導活性;同時也發現了比較有趣的現象,Phaeobactersp.1和Bacillussp.4的誘導活性結果呈現出截然相反的結果,Bacillussp.4對幼蟲具有高誘導活性而對稚貝具有低誘導活性,而Phaeobactersp.1對幼蟲具有低誘導活性,對稚貝具有高誘導活性,推測可能由于腸道細菌對厚殼貽貝幼蟲和稚貝的誘導機制不同。以往研究中,當細菌對海洋無脊椎動物具有較高誘導活性時,其生物被膜分泌胞外產物的能力也相對較強[33-34]。然而Phaeobactersp.1的胞外產物顯著低于Bacillussp.4,但對稚貝的誘導活性反而顯著高于后者,推測可能是Phaeobactersp.1中具有特殊的成膜機制,使其對稚貝具有高誘導活性,這一推測有待后續進一步研究。
綜上所述,本研究中的腸道細菌都能夠誘導厚殼貽貝幼蟲和稚貝的附著,但誘導能力根據菌種的不同有所差異。通過對Bacillussp.4和Phaeobactersp.1這2株腸道細菌的生物被膜生物量和胞外產物的分析發現,腸道細菌被膜的細胞密度、膜厚和胞外產物中的脂類對厚殼貽貝幼蟲的附著變態無影響,而胞外蛋白和胞外多糖可以影響幼蟲的附著變態;對于厚殼貽貝稚貝的附著,腸道細菌被膜的細胞密度、膜厚和胞外α-多糖均能影響其誘導活性,而胞外脂類和胞外蛋白無影響。本研究成果為今后深入探討腸道細菌與厚殼貽貝之間的相互作用提供了理論基礎,對腸道細菌在貝類人工育苗和海區生態健康養殖具有潛在應用價值。