Bài giảng Sinh thái vi sinh vật - Chương 5: Tương tác giữa vi sinh vật và động vật

9/18/2020 1 Chương 5. Tương tác giữa vi sinh vật và động vật • Giới thiệu chung • Cộng sinh sơ cấp và thứ cấp • Kí sinh • Một số mối quan hệ cộng sinh • Mối tương tác giữa vi sinh vật và động vật có xương sống Giới thiệu chung 9/18/2020 2 Giới thiệu chung Cộng sinh sơ cấp và cộng sinh thứ cấp 9/18/2020 3 Cộng sinh sơ cấp Cộng sinh thứ cấp 9/18/2020 4 Ký sinh 9/18/2020 5 • Mối quan hệ ký sinh liên quan đến tương tác trong đó một sinh vật (sinh vật ký sinh) hưởng lợi từ sinh vật khác (sinh vật chủ), trong đó nó gây hại hoặc giết chết vật chủ của nó. • Sinh vật ký sinh chủ yếu là đơn bào và thường thích nghi cao để thực hiện các chức năng chính của chúng trong việc xâm nhiễm vào một vật chủ, né tránh được hệ thống miễn dịch của vật chủ và cuối cùng truyền đến một vật chủ mới. • Richard Dawkins đưa ra quan điểm rằng quan hệ ký sinh chỉ là một cách để một sinh vật ký sinh nhân bản DNA của nó bằng cách tiêu tốn DNA của vật chủ Quan hệ ký sinh của nematode và côn trùng 9/18/2020 6 • Các tương tác ký sinh có thể khá phức tạp và có thể được liên kết với các mối quan hệ cộng sinh khác. • Heterorhabditis bacteriophora được xem là tuyến trùng mô hình trong nghiên cứu mối quan hệ ký sinh của côn trùng bởi tuyến trùng. • Vi khuẩn Photorhabdus luminescens có thể xâm nhiễm vào ấu trùng tuyến trùng ở giai đoạn ấu trùng non dễ xâm nhiễm. • Khi Heterorhabditis xâm nhiễm vào ký chủ côn trùng chúng sẽ giải phóng ra Photorhabdus luminescens, vi khuẩn này tiết ra protease và các hợp chất khác giúp ngăn chặn hệ miễn dịch của côn trùng và tiêu diệt côn trùng. • Các tuyến trùng ăn cả vi khuẩn nội cộng sinh trong nó và ký chủ côn trùng 9/18/2020 7 Quan hệ nội cộng sinh ở Wolbachia: Ký sinh hay tương hỗ? • Wolbachia pipientis là một vi khuẩn Gram âm thuộc họ Rickettsiaceae, nội bào bắt buộc. • Các nghiên cứu khác nhau ước tính rằng sự xâm nhiễm của Wolbachia vào côn trùng dao động từ 20% đến 75%. Ngoài ra, nó còn xâm nhiễm vào bọ ve, nhện, tuyến trùng và động vật giáp xác trên cạn. - Wolbachia xâm nhiễm được vào trong tế bào ký chủ là do thiết lập được cơ chế sinh sản của nó thông qua tế bào ký chủ. • Giết con đực • Cảm ứng gây độc quá trình thụ thai • Chuyển đổi kiểu hình đực sang cái • Sửa đổi các giao tử đực của ký chủ để không tương thích tồn tại với những con cái không bị Wolbachia xâm nhiễm, dẫn đến sự mất cân bằng zygote (được gọi là “không tương thích tế bào chất”). - Bên cạnh những tác dụng có hại hơn này trên ký chủ, Wolbachia cũng có những tác dụng có lợi ở tuyến trùng và ong bắp cày. Nó đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển bình thường của ký chủ và trứng của chúng, và nó cũng đóng vai trò quan trọng đối với khả năng sống và khả năng sinh sản của chúng. - Những nghiên cứu này đã thay đổi quan điểm truyền thống về Wolbachia như là một ký sinh sinh thực để chứng minh rằng các loài Wolbachia cũng hoạt động như những tác nhân tương hỗ truyền thống hơn. 9/18/2020 8 Quan hệ tương hỗ Động vật chủ Vi sinh vật tương hỗ Mối tương tác Động vật nhai lại (cừu, bò, lạc đà, nai.) Hàng trăm loài vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh đơn bào Sự phân hủy các xác thực vật thành các vitamin và các nhân tố sinh trưởng bao gồm các chất béo dễ bay hơi (axit axetic, propionic và axit butyric). Đỉa trâu (Hirudo medicinalis) Aeromonas veronii Rikenella Những vi sinh vật cộng sinh trong hệ tiêu hóa, những vi sinh vật bám bên ngoài tế bào Mực Hawai (Euprymna scolopes) Vibrio fischeri Những vi sinh vật cộng sinh cơ quan ánh sáng và chức năng tạo ra ánh sáng ngụy trang cho mực. Rệp (Aphidoidea) Buchnera sp. Mối quan hệ cộng sinh dinh dưỡng để tổng hợp acid amin, bên trong tế bào sinh vật công sinh Tuyến trùng đất (Steinernema carpocapsae) Xenorhabdus nematophilus Cộng sinh trong hệ tiêu hóa Mối (Macrotermes) Termitomyces sp. Nấm sinh cellulase phân giải xác thực vật và mối tiêu thụ cả xác thực vật và nấm Ong gỗ (Sirex cyaneus) Amylostereum sp. Nấm sinh cenlulase và xylanase để phân giải xác thực vật để ấu trùng trứng ong. Tuyến trùng nước mặn (Eubostrichus parasitiferus) Vi khuẩn hình lưỡi liềm Vi khuẩn bám vào bên ngoài tuyến trùng; tuyến trùng ăn những vi khuẩn này và mang những vi khuẩn hóa dưỡng này đến những vùng đã giảm lưu huỳnh Tằm biển (Osedax sp.) Oceanospirillales trong các đốt xương Các vi khuẩn này như là sinh vật nội cộng sinh, tiêu hóa các vật chất hữu cơ Bọ cánh cứng Ambrosia Nhiều loài nấm con bọ trong bột Nhiều loại vi khuẩn Các vi sinh vật nội cộng sinh cung cấp acid amin cho côn trùng Con sâu ống khổng lồ Vi khuẩn Những vi khuẩn nội cộng sinh là những vi khuẩn hóa dưỡng nhận năng lượng từ quá trình oxi hóa lưu huỳnh Các mối quan hệ cộng sinh ở ruột • Ví dụ điển hình nhất là quan hệ của các cộng đồng vi sinh vật đường ruột ở côn trùng như mối và gián. Giống như ở các loài động vật có xương sống, vi khuẩn đường ruột sinh ra các vitamin cần thiết cho vật chủ của chúng; giúp tiêu hóa thức ăn hiệu quả hơn và kiểm soát sự xâm nhập của vi khuẩn gây bệnh. • Thành phần vi sinh vật cộng sinh đường ruột phụ thuộc vào loại côn trùng cũng như chế độ dinh dưỡng. • Vi sinh vật cộng sinh đường ruột có khả năng ngăn cản sự bám dính bề mặt khiến cho những vi sinh vật lạ khi xâm nhập vào đường ruột không bám được vào thành ruột. Cơ chế chống lại sự bám dính thành ruột này có thể phức tạp và liên quan đến nhiều yếu tố như khả năng sinh các chất kháng sinh; hoặc là vi sinh vật đường ruột cạnh tranh về dinh dưỡng với vi sinh vật ngoại lai. 9/18/2020 9 Mối quan trong ruột mối: Cộng sinh trong cộng sinh 9/18/2020 10 Vi khuẩn cộng sinh ở giùn nhiều tơ 9/18/2020 11 Vi khuẩn cộng sinh ở rệp sáp Vi khuẩn phát quang cộng sinh ở cá và mực 9/18/2020 12 Tương tác giữa động vật có xương sống và vi sinh vật Vi sinh vật trong ruột của động vật nhai lại 9/18/2020 13 • Kamra (2005) đã công bố về một số lượng đáng kinh ngạc của vi sinh vật trong dạ cỏ: 1010 –1011 tế bào/mL thuộc hơn 50 chi của vi khuẩn, 103 –105 bào tử/mL của hơn 5 chi nấm, 104–106 /mL của 25 chi của động vật nguyên sinh, và 108–109/ mL thực khuẩn thể. • Hệ sinh thái này là kỵ khí nên các vi sinh vật hiện diện là vi sinh vật kỵ khí mà có khả năng thích nghi với chế độ ăn nhiều lignin, tannin, saponin và các hợp chất khác được tạo ra bởi thực vật để làm cho chúng ít tiêu hóa hơn. • Các vi khuẩn kỵ khí chủ yếu bắt buộc chủ yếu là Gram âm, và sống tối ưu ở pH 6.0–6.9 ở nhiệt độ ấm (khoảng 39◦C). Một số thành viên của họ Clostridia bộ Ruminococcaceae đã được tìm thấy trong dạ cỏ và được cho là đối tượng phân hủy cellulose. Đặc biệt, Fibrobacter và Ruminococcus là hai chi vi khuẩn phân hủy cellulose chính. • Một số chi có khả năng methan hóa sống ở dạ cỏ, thường gắn liền với động vật nguyên sinh. Ngoài ra, một số nhóm khác xảy ra trong dạ cỏ, bao gồm các nhóm vi khuẩn phân giải protein, aceton hóa và phân giải tannin 9/18/2020 14 Vi sinh vật trong ruột của động vật có vú • Một phân tích về các cộng đồng vi sinh vật đường ruột của 60 loài động vật có vú, bao gồm cả con người đã được thực hiện bởi Ley và cộng sự (2008). • Chế độ ăn uống và sinh vật chủ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các cộng đồng vi sinh vật đường ruột của động vật có vú trong nghiên cứu. • Vật chủ là động vật ăn cỏ có cộng đồng vi sinh vật đường ruột đa dạng nhất (14 ngành), tiếp đó là động vật ăn tạp (12 ngành) và cuối cùng là động vật ăn thịt (6 ngành). • Động vật có vú ban đầu có lẽ là loài ăn thịt, nhưng bằng chứng phát sinh loài cho thấy động vật có vú ăn cỏ thu được các cộng đồng vi sinh vật từ môi trường và không phải từ động vật có vú ăn thịt tổ tiên. Động vật ăn cỏ tiếp tục thích nghi bằng cách thay đổi hình thái ruột của chúng để cho phép quá trình lên men vi sinh vật ở cả ruột trước (ví dụ, cừu) hoặc ruột sau (ví dụ, ngựa). • Kết quả di truyền 16S của vi khuẩn cho thấy cộng đồng vi khuẩn xuất hiện cùng với tính đa dạng của động vật ký chủ của chúng. • Các cộng đồng ruột vi sinh đóng một vai trò quan trọng trong sự thích nghi của vật chủ đối với chế độ ăn mới. Vi khuẩn và chim