Анализ электрофизических профилей планктонных и биопленочных клеток на модели бактерий Azospirillum baldaniorum

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Формирование биопленок является широко распространенным явлением в мире микробов. Они способны оказывать влияние на здоровье людей и животных, наносить ущерб различным отраслям промышленности, и в тоже время могут быть полезны в таких областях, как очистка сточных вод или увеличение биодоступности питательных веществ для растений. Это актуализирует развитие методов исследования биопленок. В данной работе впервые описан оптический сенсорный метод индикации формирования бактериальной биопленки с учетом биологической изменчивости на примере стимулирующих рост растений ризобактерий рода Azospirillum. Обнаружена корреляция между изменениями регистрируемых сенсорной системой электрофизических параметров и морфологическими особенностями бактерий из планктонных и/или биопленочных культур: наличие двигательных органелл (жгутиков), полиморфизма и ультраструктуры клеточных форм. Установлено, что регистрируемый оптической системой профиль микробных клеток значительно отличается в планктонной и биопленочной формах. При сравнении клеток различных штаммов (родительский штамм и его производные) или планктонных и биопленочных бактерий переменные, фиксируемые электрооптической сенсорной системой, согласуются с зафиксированными нами другими методами изменениями микро- и ультраструктуры бактерий. Результаты анализа электрофизических профилей A. baldaniorum Sp245 могут быть использованы в качестве референсных для выявления специфичности взаимодействия биопленочных клеток этого штамма с различными компонентами поверхности корня предполагаемого растительного партнера с использованием оптической сенсорной системы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Шелудько

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Автор, ответственный за переписку.
Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

С. С. Евстигнеева

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Е. М. Телешева

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Ю. А. Филипьечева

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Л. П. Петрова

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Д. И. Мокеев

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

И. В. Волохина

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

И. В. Борисов

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: shel71@yandex.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

В. Д. Бунин

EloSystem GbR

Email: shel71@yandex.ru
Германия, Берлин 13407

О. И. Гулий

ФИЦ “Саратовский научный центр РАН”

Email: guliy_olga@mail.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Россия, Саратов, 410049

Список литературы

  1. Гулий О. И., Антонюк Л. П., Игнатов В. В., Игнатов О. В. Динамика изменений электрофизических свойств клеток Azospirillum brasilense Sp7 при их связывании с агглютинином зародыша пшеницы // Микробиология. 2008. Т. 77. С. 782‒787.
  2. Guliy O. I., Antonyuk L. P., Ignatov V. V., Ignatov O. V. Dynamics of the changes of electrophysical properties of Azospirillum brasilense Sp7 cells at their binding with wheat germ agglutinin // Microbiology (Moscow). 2008. V. 77. P. 695–699.
  3. Шелудько А. В., Широков А. А., Соколова М. К., Соколов О. И., Петрова Л. П., Матора Л. Ю., Кацы Е. И. Колонизация корней пшеницы бактериями Azospirillum brasilense с различной подвижностью // Микробиология. 2010. Т. 79. С. 696–704.
  4. Shelud’ko A.V., Shirokov A. A., Sokolova M. K., Sokolov O. I., Petrova L. P., Matora L.Yu., Katsy E. I. Wheat root colonization by Azospirillum brasilense strains with different motility // Microbiology (Moscow). 2010. V. 79. P. 688–695.
  5. Шелудько А. В., Филипьечева Ю. А., Шумилова Е. М., Хлебцов Б. Н., Буров А. М., Петрова Л. П., Кацы Е. И. Изменения в формировании биопленок у flhB1 мутанта бактерии Azospirillum brasilense Sp245, лишенного жгутиков // Микробиология. 2015. Т. 84. С. 175–183.
  6. Shelud’ko A.V., Filip’echeva Y.A., Shumilova E. M., Khlebtsov B. N., Burov A. M., Petrova L. P., Katsy E. I. Changes in biofilm formation in the nonflagellated flhB 1 mutant of Azospirillum brasilense Sp245 // Microbiology (Moscow). 2015. V. 84. P. 144–151.
  7. Шелудько А. В., Мокеев Д. И., Евстигнеева С. С., Филипьечева Ю . А., Буров А. М., Петрова Л. П., Пономарева Е. Г., Кацы Е. И. Анализ ультраструктуры клеток в составе биопленок бактерий Azospirillum brasilense // Микробиология. 2020. Т. 89. С. 59–73.
  8. Shelud’ko A.V., Mokeev D. I., Evstigneeva S. S., Filip’echeva Yu.A., Burov A. M., Petrova L. P., Ponomareva E. G., Katsy E. I. Cell ultrastructure in biofilms of Azospirillum brasilense // Microbiology (Moscow). 2020. V. 89. P. 50–63.
  9. Шумилова Е. М., Шелудько А. В., Филипьечева Ю. А., Евстигнеева С. С., Пономарева Е. Г., Петрова Л. П., Кацы Е. И. Изменение свойств клеточной поверхности и эффективности формирования биопленок у мутантов бактерии Azospirillum brasilense Sp245 по предполагаемым генам липидного метаболизма mmsB1 и fabG1 // Микробиология. 2016. Т. 85. С. 162‒170.
  10. Shumilova E. M., Shelud’ko A.V., Filip’echeva Y.A., Evstigneeva S. S., Pononareva E. G., Petrova L. P., Katsy E. I. Changes in cell surface properties and biofilm formation efficiency in Azospirillum brasilense Sp245 mutants in the putative genes of lipid metabolism mmsB1 and fabG1 // Microbiology (Moscow). 2016. V. 85. P. 172‒179.
  11. Baldani V. L.D., Baldani J. I., Döbereiner J. Effects of Azospirillum inoculation on root infection and nitrogen incorporation in wheat // Can. J. Microbiol. 1983. V. 29. P. 924–929.
  12. Bai W., Zhao K. S., Asami K. Dielectric properties of E. coli cell as simulated by the three-shell spheroidal model // Biophys. Chem. 2006. V. 122. P. 136‒142.
  13. Bogino P. C., Oliva M. M., Sorroche F. G., Giordano W. The role of bacterial biofilms and surface components in plant-bacterial associations // Int. J. Mol. Sci. 2013. V. 14. P. 15838–15859.
  14. Cámara M., Green W., MacPhee C.E., Rakowska P. D., Raval R., Richardson M. C., Slater-Jefferies J., Steventon K., Webb J. S. Economic significance of biofilms: a multidisciplinary and cross-sectoral challenge / / Biofilms Microbiomes. 2022. V. 8. Art. 42.
  15. Dos Santos Ferreira N., Sant’Anna F.H., Reis V. M., Ambrosini A., Gazolla Volpiano C., Rothballer M., Schwab S., Baura V. A., Balsanelli E., Pedrosa F. O., Pereira Passaglia L. M., Maltempi de Souza E., Hartmann A., Cassan F., Zilli J. E. Genome-based reclassification of Azospirillum brasilense Sp245 as the type strain of Azospirillum baldaniorum sp. nov. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2020. V. 70. P. 6203‒6212.
  16. Döbereiner J., Day J. M. Associative symbiosis in tropical grass: Characterization of microorganisms and dinitrogen fixing sites // Symposium on Nitrogen Fixation / Eds. Newton W. E., Nijmans C. J. Pullman: Washington State University Press, 1976. P. 518–538.
  17. Filip’echeva Y., Shelud’ko A., Prilipov A., Telesheva E., Mokeev D., Burov A., Petrova L., Katsy E. Chromosomal flhB1 gene of the alphaproteobacterium Azospirillum brasilense Sp245 is essential for correct assembly of both constitutive polar flagellum and inducible lateral flagella // Folia Microbiol. 2018. V. 63. P. 147–153.
  18. Guliy O. I., Evstigneeva S. S., Bunin V. D. Electrical sensor system for in vitro bacteria biofilm diagnostics // Biosens. Bioelectron. X. 2022. V. 11. Art. 100174.
  19. Guttenplan S. B., Kearns D. B. Regulation of flagellar motility during biofilm formation // FEMS Microbiol. Rev. 2013. V. 37. P. 849–871.
  20. Hartmann R., Jeckel H., Jelli E., Singh P. K., Vaidya S., Bayer M., Rode D. K.H., Vidakovic L., Díaz-Pascual F., Fong J. C.N., Dragoš A., Lamprecht O., Thöming J. G., Netter N., Haussler S., Nadell C. D., Sourjik V., Kovács A. T., Yildiz F. H., Drescher K. Quantitative image analysis of microbial communities with BiofilmQ // Nat. Microbiol. 2021. V. 6. P. 151–156.
  21. Hemdan B. A., El-Taweel G.E., Goswami P., Pant D., Sevda S. The role of biofilm in the development and dissemination of ubiquitous pathogens in drinking water distribution systems: an overview of surveillance, outbreaks, and prevention // World J. Microbiol. Biotechnol. 2021. V. 37. Art. 36.
  22. Junne S., Cruz-Bournazou M.N., Angersbach A., Götz P . Electrooptical monitoring of cell polarizability and cell size in aerobic Escherichia coli batch cultivations // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2010. V. 37. P. 935‒942.
  23. Moens S., Schloter M, Vanderleyden J. Expression of the structural gene, laf1 , encoding the flagellin of the lateral flagella in Azospirillum brasilense Sp7 // J. Bacteriol. 1996. V. 178. P. 5017–5019.
  24. O’Toole G.A., Kolter R. Initiation of biofilm formation in Pseudomonas fluorescens WCS365 proceeds via multiple, convergent signaling pathways: a genetic analysis // Mol. Microbiol. 1998. V. 28. P. 449–461.
  25. Otto M. Staphylococcal biofilms // Curr. Top. Microbiol. Immunol. 2008. V. 322. P. 207–228.
  26. Salcedo F., Pereyra C. M., Arruebarrena Di Palma A., Lamattina L., Creus C. M. Methods for studying biofilms in Azospirillum and other PGPRs // Handbook for Azospirillum / Eds. Cassán F., Okon Y., Creus C. Springer, Cham., 2015. P. 199‒229.
  27. Sambrook J., Fritsch E. F., Maniatis T. Molecular cloning: a laboratory manual, 2 nd edn. New York: Cold Spring Harbor Laboratory, 1989.
  28. Schelud’ko A.V., Makrushin K. V., Tugarova A. V., Krestinenko V. A., Panasenko V. I., Antonyuk L. P., Katsy E. I. Changes in motility of the rhizobacterium Azospirillum brasilense in the presence of plant lectins // Microbiol. Res. 2009. V. 164. P. 149‒156.
  29. Shelud’ko A.V., Filip’echeva Y.A., Telesheva E. M., Yevstigneeva S. S., Petrova L. P., Katsy E. I. Polar flagellum of the alphaproteobacterium Azospirillum brasilense Sp245 plays a role in biofilm biomass accumulation and in biofilm maintenance under stationary and dynamic conditions // World J. Microbiol. Biotechnol. 2019. V. 35. Art. 19.
  30. Skvortsov I. M., Ignatov V. V. Extracellular polysaccharides and polysaccharide-containing biopolymers from Azospirillum species: properties and the possible role in interaction with plant roots // FEMS Microbiol. Lett. 1998 V. 165. P. 223‒229.
  31. Van De Merwe W. P., Czégé J., Milham M. E., Bronk B. V. Rapid optically based measurements of diameter and length for spherical or rod-shaped bacteria in vivo // Appl. Opt. 2004. V. 43. P. 5295‒5302.
  32. Wang D., Xu A., Elmerich C., Ma L. Z. Biofilm formation enables free-living nitrogen-fixing rhizobacteria to fix nitrogen under aerobic conditions // ISME J. 2017. V. 11. P. 1602–1613.
  33. Wisniewski-Dyé F., Borziak K., Khalsa-Moyers G., Alexandre G., Sukharnikov L. O., Wuichet K., Hurst G. B., McDonald W.H., Robertson J. S., Barbe V., Calteau A., Rouy Z., Mangenot S., Prigent-Combaret C., Normand P., Boyer M., Siguier P., Dessaux Y., Elmerich C., Condemine G., Krishnen G., Kennedy I., Paterson A. H., Gonzalez V., Mavingui P., Zhulin I. B. Azospirillum genomes reveal transition of bacteria from aquatic to terrestrial environments // PLoS Genet. 2011. V. 7. Art. e1002430.
  34. Yagoda-Shagam J., Barton L. L., Reed W. P., Chiovetti R. Fluorescein isothiocyanate-labeled lectin analysis of the surface of the nitrogen-fixing bacterium Azospirillum brasilense by flow cytometry // Appl. Environ. Microbiol. 1988. V. 54. P. 1831‒1837.
  35. Yegorenkova I. V., Konnova S. A., Sachuk V. N., Ignatov V. V. Azospirillum brasilense colonisation of wheat roots and the role of lectin–carbohydrate interactions in bacterial adsorption and root-hair deformation // Plant Soil. 2001. V. 231. P. 275‒282.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. А ‒ Просвечивающая электронная микроскопия клеток A. baldaniorum Sp245 и Sp245.1063 из 20 ч жидких культур (1) или биопленок (2), сформированных на стекле под жидкой средой за 6 сут культивирования. Б ‒ Просвечивающая электронная микроскопия ультратонких срезов клеток A. baldaniorum Sp245 из фрагментов биопленок, сформированных под жидкой средой на поверхности стекла за 6 сут культивирования. На панели (а) представлены “вегетативные” и “длинные” клетки, на панели (б) показаны “цистоподобные формы”. Масштабная линейка ‒ 1 мкм.

Скачать (63KB)
Метаданные
3. Рис. 2. А ‒ Влияние состава среды на скорость движения планктонных клеток A. baldaniorum Sp245 в жидкой среде. Б ‒ Электрофизические профили бактерий из планктонных 20-ч жидких культур и 6-сут биопленок. В ‒ Распределение клеток по длине. Средняя длина клеток A. baldaniorum Sp245 и Sp245.1063 соответственно штамму в 20 ч планктонных жидких культурах составляла (2.6 ± 0.3) и (2.1 ± 0.2) мкм, (2.8 ± 0.3) и (2.8 ± 0.2) мкм в случае 6-сут биопленок. Г ‒ Динамика накопления биомассы в биопленках, сформированных A. baldaniorum Sp245 и Sp245.1063 на стекле под жидкой LB. ОП 590 – оптическая плотность кристаллического фиолетового, десорбированного после окрашивания биопленок. Д ‒ Результаты изменения величины электрооптического сигнала клеток на частоте 740 кГц. Е ‒ Влияние проназы и периодата натрия на биомассу 6-сут биопленок, сформированных на стекле под жидкой средой LB. % – процентное отношение оптической плотности красителя, десорбированного с окрашенных пленок после их инкубации в растворе проназы или периодата натрия к аналогичному показателю без обработки. Однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) данных на панелях (Д) и (Е) проводили, сравнивая показатели каждого штамма (строчные буквы) или сопоставляя показатели Sp245 и Sp245.1063 (заглавные буквы); разными буквами обозначены статистически значимые различия; а, а, А и А – средние значения с наименьшей величиной.

Скачать (71KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты атомно-силовой микроскопии. АСМ-изображения 6-сут биопленок штамма A. baldaniorum Sp245, сформированных на разделе жидкая LB/стекло (А, Б, Г, Д), жидкая LB/воздух (В, Е).

Скачать (49KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024