Effects and mechanisms of glyphosate as phosphorus nutrient on element stoichiometry and metabolism in the diatom Phaeodactylum tricornutum.
Appl Environ Microbiol · 2024 · 90:e0213123 · PMID 38265214 · 등급6 세포·모델 세포실험 · 물질과 작용기전 > EPSPS·시킴산 경로 · 사람 · 제형(GBH)
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용존 유기 인(DOP)을 이용하는 능력은 식물플랑크톤에게 P 제한 환경에서 경쟁 우위를 제공한다. 이전 연구에서는 규조류인 *Phaeodactylum tricornutum*이 탄소-인(C-P) 결합을 가진 DOP이자 제초제인 글리포세이트를 유일한 P 공급원으로 이용하여 성장할 수 있음을 시사하였다. 그러나 글리포세이트 이용에 대한 직접적인 증거와 메커니즘은 여전히 부족하다. 본 연구에서는 생리학적 및 동위원소 분석과 전사체 프로파일링을 결합하여, *P. tricornutum*의 글리포세이트 흡수를 입증하고 관련 후보 유전자를 규명하였다. 우리의 데이터는 *P. tricornutum*에 의한 글리포세이트 이용 효율이 낮음을 보여주었으며, 이는 글리포세이트 이용에 에너지가 소모되며 이 조류가 제초제 내성형의 5-엔올피루빌시키메이트-3-인산(EPSP) 합성효소를 보유하고 있음을 시사한다. P 제한 배양액과 비교했을 때, 글리포세이트로 배양된 *P. tricornutum* 세포는 DNA 복제, 세포 성장, 전사, 번역, 탄소 대사 및 항산화제를 암호화하는 많은 유전자들이 상향 조절되었다. 또한, 글리포세이트로 배양된 *P. tricornutum*에서 세포 내 C와 규소(Si)가 현저하게 증가한 반면 세포 내 질소(N)는 감소하여, Si:C 및 Si:N 비율이 높아졌으며 이는 탄소 대사 및 Si 흡수 관련 유전자의 상향 조절과 N 흡수 관련 유전자들의 하향 조절에 해당하였다. 이는 P가 제한되지만 인산염(phosphonate)이 이용 가능한 경우 심해로의 C와 Si 수출을 증진시킬 잠재력이 있다. 요약하자면, 본 연구는 *P. tricornutum*이 제초제인 글리포세이트를 P 영양분으로 어떻게 이용할 수 있는지, 그리고 이러한 글리포세이트 이용이 이 규조류의 원소 함량 및 화학량론에 어떤 영향을 미칠 수 있는지를 문서화하였으며, 이는 미래 해양에서 중요한 생태학적 함의를 가진다. 중요성: 글리포세이트는 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 제초제이며 일부 박테리아에게 인(P) 공급원으로 이용될 수 있다. 본 연구는 글리포세이트가 *Phaeodactylum tricornutum* 세포 내로 운반되어 이용될 수 있음을 최초로 밝히고, 글리포세이트 흡수에 관여하는 추정 유전자들을 확인하였다. 이는 심해의 총 용존 유기 인(DOP) 중 약 25%를 차지하는 인산염을 고려할 때, P 결핍에 대처하기 위한 식물플랑크톤의 대체 전략을 밝혀낸 것이다. 또한, 글리포세이트로 배양된 *P. tricornutum* 세포에서 탄소(C)와 규소(Si)가 축적되고 Si:C 비율이 높아진 것은, P 영양분의 공급원으로서 글리포세이트가 심해로 더 많은 C와 Si 수출을 초래할 잠재력이 있음을 시사한다. 이는 종별로 글리포세이트를 이용하는 능력의 차이점과 결합하여, 용존 무기 인(DIP)이 고갈된 생태계에서 글리포세이트 공급이 식물플랑크톤 군집 구조에 변화를 초래할 수 있음을 의미한다. 이러한 통찰은 인간 활동(라운드업 사용) 및 기후 변화(일광층의 DIP 공급 감소 가능성)가 미래 해양의 식물플랑크톤에 미치는 영향을 평가하는 데 중요한 함의를 가진다.ORIGINAL ABSTRACT
The ability to utilize dissolved organic phosphorus (DOP) gives phytoplankton competitive advantages in P-limited environments. Our previous research indicates that the diatom Phaeodactylum tricornutum could grow on glyphosate, a DOP with carbon-phosphorus (C-P) bond and an herbicide, as sole P source. However, direct evidence and mechanism of glyphosate utilization are still lacking. In this study, using physiological and isotopic analysis, combined with transcriptomic profiling, we demonstrated the uptake of glyphosate by P. tricornutum and revealed the candidate responsible genes. Our data showed a low efficiency of glyphosate utilization by P. tricornutum, suggesting that glyphosate utilization costs energy and that the alga possessed an herbicide-resistant type of 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate (EPSP) synthase. Compared to the P-limited cultures, the glyphosate-grown P. tricornutum cells up-regulated genes involved in DNA replication, cell growth, transcription, translation, carbon metabolism, and many genes encoding antioxidants. Additionally, cellular C and silicon (Si) increased remarkably while cellular nitrogen (N) declined in the glyphosate-grown P. tricornutum, leading to higher Si:C and Si:N ratios, which corresponded to the up-regulation of genes involved in the C metabolism and Si uptake and the down-regulation of those encoding N uptake. This has the potential to enhance C and Si export to the deep sea when P is limited but phosphonate is available. In sum, our study documented how P. tricornutum could utilize the herbicide glyphosate as P nutrient and how glyphosate utilization may affect the element content and stoichiometry in this diatom, which have important ecological implications in the future ocean.IMPORTANCEGlyphosate is the most widely used herbicide in the world and could be utilized as phosphorus (P) source by some bacteria. Our study first revealed that glyphosate could be transported into Phaeodactylum tricornutum cells for utilization and identified putative genes responsible for glyphosate uptake. This uncovers an alternative strategy of phytoplankton to cope with P deficiency considering phosphonate accounts for about 25% of the total dissolved organic phosphorus (DOP) in the ocean. Additionally, accumulation of carbon (C) and silicon (Si), as well as elevation of Si:C ratio in P. tricornutum cells when grown on glyphosate indicates glyphosate as the source of P nutrient has the potential to result in more C and Si export into the deep ocean. This, along with the differential ability to utilize glyphosate among different species, glyphosate supply in dissolved inorganic phosphorus (DIP)-depleted ecosystems may cause changes in phytoplankton community structure. These insights have implications in evaluating the effects of human activities (use of Roundup) and climate change (potentially reducing DIP supply in sunlit layer) on phytoplankton in the future ocean.| 저자 | Wang, C.; Li, J.; Li, S.; Lin, S. |
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| 저널 | Applied and environmental microbiology |
| 권·호·쪽 | 90(2), e0213123 |
| PMID | 38265214 |
| DOI | 10.1038/30455 |
| MeSH | Humans; Diatoms; Glyphosate; Silicon; Phosphorus; Dissolved Organic Matter; Ecosystem; Phytoplankton; Herbicides; Carbon; Organophosphonates |