Current Biology︱王钢/David R. Johnson团队合作揭示真菌菌丝维持环境中微生物多样性的新机制

撰文︱阮楚晋，王  钢责编︱王思珍，方以一编辑︱杨彬薇

微生物生物膜通常是由多种微生物组成的复杂群落结构，在各种生态系统物质和能量的生物地球化学循环、农林生态系统可持续发展、人类健康和疾病防控以及环境生态安全中发挥着重要作用[1, 2]。在稳定成熟的生物膜中，由于个体微生物的生长和能动性，微生物群落往往会由内而外进行区域扩张、进而形成特定的空间组织结构，这种区域扩张也是活跃群落的一个普遍特征[3]。研究表明，在区域扩张过程中，不同微生物种群会在扩张边界处发生剧烈的物种漂移，造成局部多样性的不可逆损失，因而只有少数位于边界的种群才能进行高效的区域扩张[4]。

微生物的区域扩张造成的多样性损失与环境中高度的多样性之间产生了一个悖论。因为附着于界面的复杂群落可能包含数百到数千种不同的微生物[5]，都需要面对区域扩张期间发生的多样性损失，因而理论上环境中的微生物多样性应该很低才对——然而，事实并非如此。因此，环境中如何维持微生物物种的高度多样性，目前仍然没有合理的解释。环境中是否存在一种普适性的机制来抵消微生物区域扩张产生的多样性损失?深入剖析微生物区域扩张中空间组织的形成过程以及微生物与微生境之间的微观互作机制有可能为解决这一悖论提供理论基础。

2022年12月1日，中国农业大学王钢教授研究组（博士生阮楚晋）和瑞士联邦水科学与技术研究所David R. Johnson博士课题组通过连续两年合作攻关在Current Biology（5年影响因子12.621）发表了题为“Fungal hyphae regulate bacterial diversity and plasmid-mediated functional novelty during range expansion”的研究论文。该研究通过构建微生物原位观测试验平台，系统探究了真菌菌丝物理结构及其所形成的微观水域网络对于细菌种群的区域扩张以及种间水平基因转移的作用。研究结果表明真菌菌丝结构及其形成的微观水域网络对微生物区域扩张的程度以及水平基因转移，进而微生物多样性的维持都具有积极的调控作用。本研究为系统理解真菌-细菌的互作模式及其生态效应提供了一个新的视角，并提出了环境中细菌多样性维持的新理论机制，为合理解析微生物区域扩张中的多样性损失与环境中高度多样性这一悖论提供了理论支撑。

目前多数的微生物群落研究仅仅局限于细菌间的相互作用，而由于细菌和真菌普遍共存于各种环境中[6]，真菌和细菌之间往往存在复杂的空间互作过程。研究表明，环境中的真菌菌丝往往伴随着不同程度的微观水域网络，为细菌主动运动(如鞭毛)或被动扩散提供水分通道，从而促进细菌在环境界面的运移和扩散传播，并对细菌群落功能产生重要影响[7]。本研究将真菌菌丝形成的水域网络引入到细菌区域扩张的实验系统当中。系统探究了真菌菌丝及其伴生的微观水域网络对不同相互作用类型（竞争、协作以及水平基因转移等）细菌空间互作的影响和作用机制。

本研究首先使用两对竞争性细菌菌株开展相关试验。试验结果显示，真菌菌丝的存在减少了区域扩张边界的细菌空间混合损失（图1）。这意味着真菌的加入能够维持细菌在区域扩张中的空间多样性。

图1 真菌菌丝对细菌区域扩张过程中局部多样性的影响

（图源：Ruan CJ, et al., Curr biol, 2022）

随后，本研究使用具有养分协作关系的一对细菌菌株，进一步探究真菌菌丝对其空间组织结构的影响和作用机制。试验以硝酸盐作为生长限制养分，其在厌氧条件下生长时的代谢中间产物亚硝酸盐。研究结果表明，养分协作关系菌株产生的群落空间结构与竞争关系菌株保持一致，即真菌菌丝的存在同样减少了养分协作混合菌株在群落扩张边界处的空间种群混合度的损失；并且真菌菌丝的存在还显著增加了群落水平的扩张距离（图2）。

图2 真菌菌丝对具有合作模式的细菌区域扩张过程中局部多样性的影响

（图源：Ruan CJ, et al., Curr biol, 2022）

为了探究细菌在真菌菌丝及其伴生水域网络的扩张模式，本研究分别使用野生型、IV型菌毛基因pilA缺失型（ΔpilA）以及鞭毛基因fliC缺失型（ΔfliC）三种P. aeruginosaPAO1菌株进行了细菌区域扩张实验。试验结果表明，野生型菌株和ΔpilA菌株能够沿着菌丝水域网扩散，而ΔfliC菌株不能沿着菌丝水域网络发生扩散（图3）；并且ΔfliC形成的区域扩张半径显著小于ΔpilA菌株和野生型菌株，而ΔpilA菌株形成的区域扩张半径也显著小于野生菌株区域扩张的半径。随后，本研究采用直径为25 µm的玻璃纤维模拟菌丝物理结构进行了额外的试验，以排除细菌与青霉菌Penicilliumsp. laika试验体系可能存在的生物相互作用。结果表明，只有ΔfliC菌株无法沿着玻璃纤维扩张和定殖（图4）。以上研究结果明确了真菌菌丝伴生的微观水域网络能够通过支撑微生物细胞的鞭毛运动、从而显著促进微生物微生物群落的局部扩张。

图3 运动基因缺陷型菌株在真菌菌丝网络中的区域扩张

（图源：Ruan CJ, et al., Curr biol, 2022）

本研究最后测试了真菌菌丝是否可以促进细菌间的基因交流。研究的假设是，真菌菌丝提高了质粒供体和受体细菌的空间混合度(图1和图2)，同时增加了这两种菌株细胞之间物理接触概率（和数量）、进而提升了细胞间质粒转移的几率。试验采用一对标记了不同荧光的施式假单胞菌，同时，将具有结合转移能力pAR145质粒导入到其中一个菌株中形成供体菌株，并在质粒中编码青色荧光蛋白。因此，基于细胞荧光蛋白表达就能判断水平基因在群落中发生的空间位置。试验结果表明，真菌菌丝显著增加了细菌之间的质粒接合程度（图4C、4D蓝色区域），表明真菌菌丝的存在不仅抵消了群落区域扩张时多样性的损失，而且还加强了细菌之间的基因水平迁移、进而促进细菌功能（如抗性基因）的扩散传播。

图4 真菌菌丝网络对区域扩张期间的水平基因转移的影响

（图源：Ruan CJ, et al., Curr biol, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究表明真菌菌丝水域网络对微生物多样性的维持、区域扩张的程度以及水平基因转移都具有积极的影响。通过运动相关基因敲除验证该过程发生机制，沿着真菌菌丝水域网络的细菌扩散是由鞭毛运动所驱动的，这使细菌个体能够在更广域的空间中定殖，减轻生态遗传漂变的影响的同时加速区域扩张。而种群多样性的维持也增加了接合质粒转移的程度，促进了菌株间的基因交流。因此，真菌菌丝水域网络可以对微生物群落的生态学和进化产生深远的影响。

此外，本研究结果表明，当存在真菌菌丝水域网络的情况下，区域扩张的细菌群落导致种群之间发生更大程度的基因交流。其中质粒转移与微生物群落中物种进化、抗生素耐药性的传播具有高度相关性。当细菌种群与真菌菌丝共存时，在许多表面上发现的大量抗生素抗性基因可以通过更高的空间混合来维持。真菌菌丝水域网络通过改善细菌空间结构而使细胞与细胞之间的接触数量增加。

综上，这项研究为真菌-细菌互作提供了一个新的视角，并在一定的程度解释了细菌在环境中多样性维持的机制以及与区域扩张形成的悖论。

原文链接：https://authors.elsevier.com/c/1gAXX3QW8R~fHp

第一作者：阮楚晋（左）；通讯作者：王钢（中），David R. Johnson（右）

（照片提供自：中国农业大学土壤与水生态系统生物物理实验室）

作者简介（上下滑动阅读） 

第一作者

阮楚晋，博士，2022年毕业于中国农业大学，现在中国农业大学和瑞士联邦水科学与技术研究所（EAWAG）从事联合博士后研究。主要研究方向包括：微生物群落组装及演化机制，微生物间相互作用机制及其生态学意义，微生物群落功能的调控机制。在Current Biology、ISME J、ISME Commu、IJSEM等期刊上发表学术论文17篇，其中第一作者署名10篇。获得全国博士后管理委员会博士后国际交流派出项目，国家留学基金委国家建设高水平大学联合培养博士公派研究生项目。

通讯作者

王钢，教授/博士，本科和博士分别毕业于中国科学技术大学和苏黎世联邦理工，现为中国农大领军教授/博导、土壤和水科学系主任，入选国家高层次青年人才，兼任中—美土壤学会双边合作工作组创始成员、中国土壤学会理事和土壤物理专业委员会副主任等，主要开展微生物多样性的成因与维持机制及其环境和生态效应、土壤健康和全球/区域“土地-水-粮食-气候”纽带关系等科研与教学工作，在PNAS、Current Biology、ISME J、Soil Biol Biochem、Environ Sci Technol等期刊发表学术论文60余篇（其中，一作和通讯40余篇），被引1700余次，h-index指数19。
David R. Johnson，教授/博士，毕业于美国加利福尼亚大学，博士毕业陆续在瑞士洛桑大学和苏黎世联邦理工大学从事博后及助理教授（博导）工作；目前在瑞士联邦水科学与技术研究所（EAWAG）担任环境微生物系微生物群落组织课题组组长。David R. Johnson博士主要从事微生物群落互作机制以及抗生素抗性基因转移与演变等方面的研究工作，已经在Environ Microbiol、ISME J、Curr Opin Biotechnol、Current Biology等主流期刊发表多篇高水平研究论文56篇（其中，ISME J期刊论文10篇），具有丰富的科研经验和研究积累，是该研究领域世界知名中青年科学家。

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参考文献（上下滑动阅读）

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[2] Flemming HC, Wingender J, Szewzyk U, Steinberg P, Rice SA, Kjelleberg S. Biofilms: An emergent form of bacterial life[J]. Nature Reviews Microbiology, 2016, 14(9): 563-575

[3] Tilman D, Kareiva P. Spatial ecology: The role of space in population dynamics and interspecific interactions (MPB-30)[M]. Princeton University Press, 1997

[4] Golding I, Cohen I, Ben-Jacob E. Studies of sector formation in expanding bacterial colonies[J]. Europhysics Letters, 1999, 48(5): 587-593

[5] Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN, Purdom E, Dethlefsen L, Sargent M, Gill SR, Nelson KE, Relman DA. Diversity of the human intestinal microbial flora[J]. Science, 2005, 308(5728): 1635-1638

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[7] Zhang YC, Kastman EK, Guasto JS, Wolfe BE. Fungal networks shape dynamics of bacterial dispersal and community assembly in cheese rind microbiomes[J]. Nature Communications, 2018, 9: 336

本文完