single-cell growth rates in photoautotrophic populations measured by stable isotope probing and resonance raman microspectrometry

Einzelzell-Wachstumsraten in photoautotrophen Populationen, gemessen mittels Stable-Isotope-Probing und Resonanz-Raman-Mikrospektrometrie

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ID: 202202
2017
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Abstract
A new method to measure growth rates of individual photoautotrophic cells by combining stable isotope probing (SIP) and single-cell resonance Raman microspectrometry is introduced. This report explores optimal experimental design and the theoretical underpinnings for quantitative responses of Raman spectra to cellular isotopic composition. Resonance Raman spectra of isogenic cultures of the cyanobacterium, Synechococcus sp., grown in 13C-bicarbonate revealed linear covariance between wavenumber (cm−1) shifts in dominant carotenoid Raman peaks and a broad range of cellular 13C fractional isotopic abundance. Single-cell growth rates were calculated from spectra-derived isotopic content and empirical relationships. Growth rates among any 25 cells in a sample varied considerably; mean coefficient of variation, CV, was 29 ± 3% (σ/x¯), of which only ~2% was propagated analytical error. Instantaneous population growth rates measured independently by in vivo fluorescence also varied daily (CV ≈ 53%) and were statistically indistinguishable from single-cell growth rates at all but the lowest levels of cell labeling. SCRR censuses of mixtures prepared from Synechococcus sp. and T. pseudonana (a diatom) populations with varying 13C-content and growth rates closely approximated predicted spectral responses and fractional labeling of cells added to the sample. This approach enables direct microspectrometric interrogation of isotopically- and phylogenetically-labeled cells and detects as little as 3% changes in cellular fractional labeling. This is the first description of a non-destructive technique to measure single-cell photoautotrophic growth rates based on Raman spectroscopy and well-constrained assumptions, while requiring few ancillary measurements.
Es wird eine neue Methode zur Messung der Wachstumsraten einzelner photoautotropher Zellen durch die Kombination von Stable-Isotope-Probing (SIP) und Einzelzell-Resonanz-Raman-Mikrospektrometrie vorgestellt. Dieser Bericht untersucht das optimale Versuchsdesign sowie die theoretischen Grundlagen für quantitative Reaktionen von Raman-Spektren auf die zelluläre Isotopenzusammensetzung. Resonanz-Raman-Spektren isogener Kulturen des Cyanobakteriums *Synechococcus* sp., die in $^{13}\text{C}$-Bicarbonat kultiviert wurden, zeigten eine lineare Kovarianz zwischen den Wellenzahlverschiebungen ($\text{cm}^{-1}$) dominanter Carotinoid-Raman-Peaks und einem breiten Bereich der zellulären fraktionellen $^{13}\text{C}$-Isotopenhäufigkeit. Einzelzell-Wachstumsraten wurden anhand der spektroskopisch ermittelten Isotopengehalte und empirischer Beziehungen berechnet. Die Wachstumsraten beliebiger 25 Zellen innerhalb einer Probe variierten beträchtlich; der mittlere Variationskoeffizient (CV) betrug 29 ± 3 % ($\sigma/\bar{x}$), wovon lediglich ~2 % auf die Fortpflanzung des analytischen Fehlers zurückzuführen waren. Unabhängig mittels *In-vivo*-Fluoreszenz gemessene momentane Populationswachstumsraten variierten ebenfalls täglich (CV ≈ 53 %) und waren – mit Ausnahme der niedrigsten Zellmarkierungsgrade – statistisch nicht von den Einzelzell-Wachstumsraten zu unterscheiden. SCRR-Erhebungen von Mischungen aus Populationen von *Synechococcus* sp. und *T. pseudonana* (einer Diatomee) mit variierendem $^{13}\text{C}$-Gehalt und unterschiedlichen Wachstumsraten stimmten eng mit den vorhergesagten spektralen Reaktionen und dem fraktionellen Markierungsgrad der der Probe zugefügten Zellen überein. Dieser Ansatz ermöglicht die direkte mikrospektrometrische Untersuchung isotopisch und phylogenetisch markierter Zellen und detektiert bereits Veränderungen des zellulären Markierungsgrads von lediglich 3 %. Dies ist die erste Beschreibung einer zerstörungsfreien Technik zur Messung einzelzellulärer photoautotropher Wachstumsraten auf der Basis von Raman-Spektroskopie und wohlbegründeten Annahmen, die zudem nur wenige ergänzende Messungen erfordert.
Reference Key
taylor2017frontierssingle-cell Use this key to autocite in the manuscript while using SciMatic Manuscript Manager or Thesis Manager
Authors Gordon T. Taylor, Elizabeth A. Suter, Zhuo Q. Li, Stephanie Chow, Dallyce Stinton, Tatiana Zaliznyak, Steven R. Beaupré
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Journal journal of magnetic resonance (san diego, calif : 1997)
Year 2017
DOI
10.3389/fmicb.2017.01449
URL
http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fmicb.2017.01449/full
Keywords
productivity photosynthesis carbon fixation single-cell analysis

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