The impact of unsuccessful Yersinia ruckeri invasions on planktonic bacterial community characteristics

Abstract

En mikrobiell invasjon er en prosess hvor en mikroorganisme kommer inn i et nytt samfunn der den spesifikke mikrobielle typen ikke er til stede på dette tidspunktet. For at en invasjon skal lykkes, må inntrengeren etablere seg i samfunnet ved å opprettholde en aktiv populasjon over en betydelig periode. Mikrobielle invasjoner har en rolle som et nyttig verktøy og en positiv kraft i mange viktige sammenhenger som matindustri, landbruk, avfallsbehandling, og er viktig for menneskers og dyrs helse. Invasjoner kan også være skadelige, inntrengeren kan være sykdomsbærer for mikrobiomverten og kan ødelegge matvarer, endre økosystemfunksjonen og redusere biologisk mangfold. De fleste studier av mikrobielle invasjoner fokuserer enten på egenskaper hos inntrengeren eller aspekter ved samfunnet som legger til rette for invasjon. Få studier har undersøkt hvilken innvirkning invasjon har på samfunnet, og enda færre har sett på tilfeller hvor inntrengeren ikke er i stand til å etablere seg.

I denne studien ble det sett på effekten av gjentagende bakterielle invasjonsforsøk med den samme inntrengeren på et planktonisk bakteriesamfunn i et gjennomstrømningssystem. Ved mislykkede invasjoner ble effekten på diversiteten og sammensetningen av bakteriesamfunnet undersøkt, samt invasjonsresistensen til samfunnet ved påfølgende invasjonsforsøk. Flere invasjonsforsøk ble utførte hvor andelen inntrengere ved invasjon utgjorde enten 1 eller 10% av samfunnene. Forsøket ble gjennomført i løpet av 22 dager i 15 bioreaktorer. Inntrengerens etablering i samfunnene ble overvåket gjennom kvantifisering med qPCR og, bakteriesamfunnets karakteristikker ble undersøkte ved bruk av Illumina-sekvensering og flowcytometri.

Inntrengeren var ikke i stand til å etablere seg ved noen av invasjonsforsøkene. En endring i diversitet og sammensetning av samfunnene over tid ble observert, men disse endringene kunne ikke kobles til invasjonsforsøkene. Det ble ikke funnet endring i diversiteten eller sammensetningen av bakteriesamfunnene som resultat av de mislykkede invasjonsforsøkene. Invasjonsresistens ble heller ikke endret ved etterfølgende invasjonsforsøk. Alle samfunnene opplevde en forstyrelse i form av en periode med lav pH. Fallet i pH førte til lavere diversitet og endring i bakteriell sammensetning. I tillegg var endringsraten til inntrengeren høyere i perioden med lav pH. Endringsraten til inntrengeren i samfunnet var lavere enn minste forventede verdi i hovedandelen av invasjonsforsøkene selv ved lav pH. Metodiske feil, lysing av inntrengeren og predasjon ble utelukket som mulige årsaker. Årsaken til at inntrengeren forsvant raskere enn forventet er fortsatt uklar. Selv om det ikke ble funnet en sammenheng mellom mislykkede invasjoner og endringer i samfunnet foreslår jeg på bakgrunn av tidligere funn at påvirkning på samfunnet, eller uteblivelse av endring, kan ha sammenheng med hvor konkurransedyktig inntrengeren er. Ved videre forskning bør spørsmålene i denne studien undersøkes på nytt med en mer konkurransedyktig inntrenger. En undersøkelse av sammenhengen mellom endringsraten av inntrengeren og påvirkningen på samfunnet ved mislykket invasjon kan også være av interesse.

A microbial invasion is a process in which a microorganism enters a new community where that specific microbial type is not present at that time. In order for an invasion to succeed the invader must establish in the resident community by maintaining an active population for a significant period of time. Microbial invasions play a role as a useful tool and positive force in many important contexts such as the food industry, agriculture, waste treatment, and are important for human and animal health. Invasions can also be harmful. For example, the invader can be a disease carrier for the microbiome host, lead to the destruction of food, change the ecosystem function and reduce biological diversity. Most studies of microbial invasions focus either on the characteristics of the invader or aspects of the community that facilitate invasion. Few studies have examined the impact of invasion on the community, and even fewer have looked at cases where the invader does not establish.

This study set out to investigate the impact of repeated bacterial invasions attempts by the same single model invader on a planktonic bacterial community in a flow-through system. When invasions were unsuccessful the effect on the diversity and composition of the bacterial communities, and invasion resistance at following invasion attempts, were investigated. To address this, several invasion attempts were conducted with two different propagule pressures. The experiment was carried out over 22 days in 15 lab-scale bioreactors. The invader's establishment in the communities was monitored through quantification by qPCR and the bacterial community characteristics were examined using Illumina sequencing and flow cytometry.

The intruder was unable to establish in any of the invasion attempts, meaning that all the invasion attempts were unsuccessful. A temporal change in the diversity and composition of the communities was observed, but these changes could not be linked to the invasion attempts. The unsuccessful invasion attempts did not impact the bacterial composition or diversity of the resident communities. Invasion resistance remained unchanged in subsequent invasion attempts. All communities experienced a period of low pH. The drop in pH led to lower diversity and a change in bacterial community composition. In addition, the rate of change of the invader was higher during the period of low pH. The rate of change of the invader in the communities was lower than the minimum expected value in the majority of the invasion attempts even at low pH. Methodological errors, lysis of the invader and predation were ruled out as possible causes. The reason why the intruder disappeared faster than expected is still unclear. Although no connection was found between failed invasions and the changes in the communities, I suggest, on the basis of previous findings, that the impact on the communities, or absence thereof, may be related to how competitive the invader is. In further research, the questions posted in this study should be re-examined with a more competitive intruder. An investigation of the connection between the rate of change of the invader and the impact on the community from a failed invasion may also be of interest.