细菌社会的“风险对冲”：多模态光学成像揭示细菌亚群的优异代谢活性

关键词：光学显微技术，耐辐射球菌，抗氧化能力，重金属还原。

异从而使得整个群体呈现异质性。但基因表达的异质性也可能由环境的变化所驱动，因此在单克隆的菌群中，所有的细菌都具有相同的遗传物质，但每个细菌仍然可以表达出不同的性状，从而产生复杂的表型变异群体。当单克隆细菌生存环境如土壤、水环境、温度湿度发生剧烈变化时，不同细菌可能具备或产生显著不同的适应能力。目前的研究发现，相当一部分微生物在对抗外界胁迫时会采用“风险对冲机制”，即细菌群体为了整个种群的存活，使得小部分亚群表达出特定的基因或是在环境改变的驱动下呈现出不同的表现型，并与其他个体显著区分开来。这种表型异质性可能使得这部分亚群在致命的外界条件下存活，而当外界环境再次变得有利时，幸存者们得以继续增殖并扩大种群。耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）是一种具有极强抗氧化能力与抗电离辐射能力的极端环境微生物，是研究极端环境与微生物相互作用规律的模式生物。此前的研究主要是集中于胞内抗氧化系统、DNA损伤修复机制等。

近日，来自南京大学的王伟教授课题组研究发现耐辐射奇球菌群体在面对外界胁迫时，一部分亚群会呈现出极强的银离子代谢能力，通过明场和荧光显微镜结合背反射成像模式，团队进一步发现，这部分亚群均具有相对较低的活性氧水平，同时超氧自由基水平与银离子代谢活性存在明显的负相关。本项研究直接支持了目前针对耐辐射奇球菌多重抗氧化胁迫能力来源的多价理论。

背反射成像模式采用了与荧光成像相同的光路，在这种成像模式下，可以获得相比于明场更强的对比度，同时背反射具有装置简单、对样品无损的特点。本文观察到的少部分亚群呈现出的强银离子代谢能力可能是目前已知的生物对抗外界胁迫的“风险对冲”——群体感应的结果。为了整个种群的生存，一部分耐辐射奇球菌亚群呈现出优异的表现型以对抗外界胁迫。

图（a）活性氧探针标记的含银颗粒细菌的明场（b）背反射和（c）荧光图像（d）单个细菌的背反射强度和荧光强度相关图。

王伟教授团队长期致力于光学显微成像技术、纳米电化学、单颗粒化学成像与测量、单细胞和单分子分析检测。文章第一作者为南京大学研究生朱纬楠，通讯作者为南京大学王伟教授和谢若晨副研究员。

WILEY

论文信息：

Multi-modal imaging reveals a small subpopulation of Deinococcus radiodurans exhibiting correlated low superoxide radical levels with extraordinary silver ion metabolism.

Weinan Zhu, Xinyu He, Haoran Li, Bo Jiang, Ruo-Chen Xie*, Wei Wang*

Natural Sciences

DOI：10.1002/ntls.20210507

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期刊简介

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