土壤真菌会唤醒沉睡中的细菌

导  读

当土壤变得干燥时，对土壤细菌的活性产生负面影响。研究人员利用最先进的分析和成像技术的创新组合，发现真菌通过给干燥且营养低下的栖息地的细菌提供水和营养物质来增加细菌的活性。真菌在土壤中调节干旱胁迫并维持生态系统功能的能力是气候变化背景下的重要见解。

编译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员）

来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2017/06/170607085344.htm（2017年6月7日），原题为“Fungi awake bacteria from their slumber”

 NanoSIMS是一款二次离子质谱系统，空间分辨率低至50纳米。这种高分辨率与其质量敏感性相结合，可以检测细胞表面的元素和同位素以及细胞内的化学变化。该仪器是新建立的研究平台ProVIS的一部分。 样品分析中的Niculina Musat博士和Hryhoriy Stryhanyuk博士（文章的合著者）。照片版权：UFZ

        当土壤变得干燥时，对土壤细菌的活性会受到负面影响。利用先进的分析和成像技术的创新组合，UFZ的研究人员现已发现，真菌通过给干燥且营养贫乏的栖息地的细菌提供水和营养物质来增加细菌的活性。真菌在土壤中调节干旱胁迫并维持生态系统功能的能力，是气候变化背景下的重要见解。

        许多真菌通过被称为菌丝的丝状体在土壤中扩展成为细丝网络。在寻找水分和养分时，菌丝会朝不同的方向生长，不断扩大网络。一旦发现水分和营养物质，它们被吸收并通过菌丝运输到处于干燥或营养贫乏的土壤区域的真菌网络部分。菌丝管输送物质受益的不仅仅是真菌本身，细菌也可以从中获得它们繁殖所需的水分和营养。

        UFZ研究小组最近在“自然通讯”杂志上发表的一项研究证明了这一点。“长期以来我们一直怀疑真菌在土壤水分预算中发挥着重要作用，”UFZ环境生物技术专家Matthias Kästner教授说，“现在，利用来自UFZ ProVIS研究平台的二次离子质谱技术（NanoSIMS和ToF-SIMS），我们终于获得了实验证据。”

         作为调查的一部分，研究人员仔细检查了水分、底物和营养物质通过真菌微小的菌丝传输。他们在水、葡萄糖和含氮营养素的培养基上培养真菌。真菌菌丝必须通过干燥的、无营养的区域才能生长到含有培养基的新区域，在这个不适于栖息的过渡区含有普通土壤细菌—枯草芽孢杆菌的孢子。孢子是处于不活泼状态的芽胞杆菌，这时没有足够的水、食物和营养物可用于其生长。细菌进入一种休眠阶段，一旦环境条件有利于其再次生活，细菌就会从休眠中醒来。

         在实验中，真菌的生长确实改善了这些环境条件：“当真菌菌丝穿过干燥区生长时，细菌孢子萌发，我们注意到它有明确的微生物活性，” UFZ环境微生物学家Lukas Y. Wick博士说。 “真菌显然改善了细菌的环境条件，并将它们从沉睡中唤醒，如同摇醒睡美人。”但是当真菌菌丝直接靠近细菌孢子生长时，在化学水平上究竟发生了什么呢？为了回答这个问题，研究人员用稳定的同位素预先标记了培养基中的水、葡萄糖和含氮营养素。如果这些物质从真菌转移到细菌中，则可以使用同位素标记和NanoSIMS方法以纳米尺度的空间分辨率对其进行检测。“NanoSIMS方法揭示了元素和同位素的分布，因此可以让我们观察代谢过程，”Kästner解释说。 “事实证明，我们的确发现了细菌细胞团中含有标记水、葡萄糖和含氮营养素的稳定同位素，而这些营养素只能来自真菌。”

         这项研究为UFZ研究人员提供了真菌及其在土壤中重要功能的另一重要见解。真菌起到水泵、基质和营养物质的泵站和管道的作用，可以在不适宜栖息的地方让细菌繁殖，使它们适合细菌生长 ，从而刺激土壤中的微生物活动。在以前的研究中，研究人员已经表明，真菌菌丝为细菌开通一条真菌高速公路，可以让细菌四处移动，并为细菌基因转移提供热点。Wick继续说道：“这项最新研究的结果再一次证明，通过与细菌的相互作用，真菌在土壤生态系统中起着重要的，以前其作用被低估了。”

         例如，如果土壤被污染物污染，细菌可以将其分解。 但如果土壤太干燥，降解过程将会停止。“如果干旱持续的时间不长，真菌能起到稳定作用，可以确保降解过程的持续进行。尤其是在气候变化的影响方面，如果土壤的干湿比例显着增加，这个作用很重要，” Kästner说。 因此，在未来的调查中，研究人员打算将土壤视为真正的生态系统。“我们希望在不同的环境条件下进行土壤实验，找出真菌生长对污染物分解的影响，”Wick说，“重要的是要更好地了解真菌在土壤生态系统中的作用，只有当我们知道土壤如何工作时，才能对变化做出反应，例如由气候变化引起的变化，并做出明智的决定。”

Journal Reference:

Anja Worrich, Hryhoriy Stryhanyuk, Niculina Musat, Sara König, Thomas Banitz, Florian Centler, Karin Frank, Martin Thullner, Hauke Harms, Hans-Hermann Richnow, Anja Miltner, Matthias Kästner, Lukas Y. Wick. Mycelium-mediated transfer of water and nutrients stimulates bacterial activity in dry and oligotrophic environments. Nature Communications, 2017; 8: 15472 DOI: 10.1038/NCOMMS15472 

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