【LorMe周刊】生命不息，探索不止：链霉菌的新型生长模式

作者：薄纯斌，南京农业大学硕士在读，主要研究资源调控微生物互作。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍链霉菌的新型生长模式，原文于2017年发表在《Trends in Microbiology》上。

导   读

链霉菌可以产生大量的次级代谢产物，并且其生命周期复杂。最近的研究揭示了一种称为“探索生长”的链霉菌新型生长模式，该生长模式下，链霉菌能够快速穿越固体表面。这种探索性的生长模式是由链霉菌与真菌的互作而产生的，并且与一种碱性挥发性有机化合物(VOC)的产生有关。在这里，作者从物种间的互作、pH诱导以及VOC介导的信号传递等方面来探讨链霉菌的探索性生长。

一种新的链霉菌发育模式

由于基因组学和细胞生物学的技术进步，人们在链霉菌生命周期过程中不同发育机制方面的研究取得了重大进展，但这只集中在单物种的研究上。由于土壤中充满微生物，在实验室中任何单个土壤微生物的生长，可能不会有效地再现或捕获这些微生物在环境中的全部发育潜力。最近的研究发现，许多链霉菌物种(200种菌种中有19种)与不同的酵母共培养后，出现了一种新的生长形式，这是以前链霉菌单独培养所没有发现的，这种行为被称为“探索性生长”(Exploratory Growth)。一旦链霉菌和酵母菌群附近的葡萄糖耗尽，链霉菌就会产生这种生长行为。对链霉菌菌丝进一步的研究表明，尽管这些细胞像营养菌丝一样具有亲水性，但它们似乎并不产生分枝。而无分枝是气生菌丝的一个特征，这可能有助于增强探索菌落的向外扩散。同时探索性生长不需要bld或者whi因子的调控，这些发现表明这是链球菌的一种新的生长发育模式。

对新环境的探索

如图1A所示，正常链霉菌生命周期始于孢子萌发，最终形成分枝营养密集网状结构菌丝。作为对未知信号的回应，非枝条的气生菌丝上升到空气中。这些气生菌丝被包裹在一层疏水鞘内，使它们能够从含水的营养菌丝体中逃脱。最后，气生菌丝分化成休眠的外孢子链。由此产生的孢子具有抗应力性，并可以分散到环境中。链霉菌从营养生长到气生菌丝形成的过渡需要bld基因产物，而气生菌丝到孢子链的过渡需要whi基因产物。探索性生长为链霉菌提供了在新环境中定居的能力，无需经过上述过程。探索性生长是由于真菌、低葡萄糖和氨基酸的作用，从而促使链霉菌探索性生长。当链霉菌在酵母旁生长时，它们首先在酵母菌落上和周围形成气生菌丝和孢子。一旦酵母消耗了培养基中的葡萄糖，链霉菌就开始产生碱性挥发性有机化合物三甲胺(TMA)。TMA的释放导致pH值的局部增加，促进了链霉菌的探索(图1B)。探索性生长除了能使链霉菌在新环境中稳定生长，还能使其穿越营养不足的非生物表面，包括塑料隔板、玻璃隔板和岩石。这使链霉菌可以在不同的地点获取养分，赋予了其适应性优势。探索链霉菌类似于许多其他细菌系统的运动，例如群集运动、抽搐运动、滑动运动等，链霉菌的探索与滑动运动最为一致，滑动运动是一种由表面活性剂促进的生长依赖性扩散。目前观察到的探索性链霉菌菌丝不分支，可能有助于促进集落扩散，而这一过程可能通过分泌表面活性剂进一步加强，其内在机制还有待研究。链霉菌与酵母一起生长时，链霉菌细胞会在开始探索之前产生孢子。这会确保其在探索失败的情况下，还能保留一个休眠/抗性的遗传存储库(图1B)。

图1  (A)正常链霉菌生命周期示意图；(B)链霉菌探索性生长示意图。

物种间的互作

微生物之间的竞争包括营养竞争与拮抗竞争，对于链霉菌来说，真菌对葡萄糖的消耗刺激了链霉菌的生长。同时真菌也可以通过调节碳源利用率来改变非探索性链霉菌的生长。这些相互作用与以前报道的酿酒酵母和假单胞菌的相互作用很相似，假单胞菌在酵母耗尽葡萄糖的情况下激活胞外多糖的产生。因此，像链霉菌和假单胞菌那样，改变基因或生长模式以应对营养状况的改变将是重要的生存机制。

pH对链霉菌探索的影响

链霉菌的探索性生长不仅需要酵母的诱导，而且离不开碱性条件。研究发现，探索性链霉菌可以通过自我诱导或外源碱性物质使pH上升，从而改变其生长方式。进一步研究发现，链霉菌探索性生长过程中，其自我诱导pH升高对菌丝的影响似乎独立于基因表达，这表明对自我诱导的pH值上升的反应通过一个不同于现有碱性条件激活的途径。链霉菌和真菌保持高pH介导的形态转换产生了一个问题：为什么pH值上升会引发形态变化。对大多数微生物来说，碱性环境并不适合生长，会阻碍由质子梯度驱动的养分吸收，降低铁和其他基本元素的溶解度。原因很可能是这种碱性环境只会抑制占据真菌和链霉菌之间植物遗传空间的其他微生物，从而促使链霉菌与真菌的形态转换。支持这一观点的依据是芽孢杆菌滑动运动受pH值影响，在低pH条件下会抑制其生长。

一种挥发性有机化合物（VOC）：微生物之间的信号分子

虽然VOC的生物功能尚未完全了解，但很明显，这些化合物可以作为信号分子影响微生物的行为、基因表达和群体行为。如图2A所示，VOC可以介导物种间的信号传递，铜绿假单胞菌释放的二甲硫醚可以刺激烟曲霉的生长；各种细菌的VOCs还可以调节真菌孢子的萌发。VOC还可以介导种内信号传递，产孢木霉菌利用1-辛烯-3-醇及相关类似物诱导其他木霉菌产孢（图2B）。TMA介导的链霉菌探索性生长似乎是由于介质的pH值升高，而非TMA的特异性信号作用，因为氨也可以诱导其探索性生长。值得注意的是，通过探索链霉菌产生的TMA也可以诱导其他链霉菌进行探索（如图2B中图），这表明TMA这类信号物质一旦释放出来，就会成为公共产品，不产生这些信号的“欺骗者”可以利用这些信号。就TMA而言，土壤微生物要么利用TMA改变pH值，要么将其作为碳源或氮源利用。

研究表明，近亲物种之间对VOC的利用机制是一样的。链霉菌产生大量的特殊代谢产物，除了具有生长抑制特性之外，这些信号分子还可以在物种内部或物种间起作用。土壤不是同质的环境，而是由固体颗粒和充满空气或水的孔隙组成的混合物。在物种间的短距离互作中，普通的代谢物可以作为信号分子，然而，在长距离互作中，却很难发挥信号分子的作用。VOC是蒸气压相对较高的低分子量化合物，因此可以通过充满空气的缝隙迅速扩散。因此，链霉菌的挥发性有机化合物还可以作为物种间的远距离互作信号。

图2  VOC作为信号分子的例子。(A)VOC介导的物种间的信号传递；(B)VOC介导的种内信号传递。

TMA是一种竞争工具

TMA除了可以介导物种间的信号传递，TMA还通过抑制其他细菌的生长来提供竞争优势(图2B)。这种生长抑制可能是由于TMA的酸碱提升作用，TMA 通过提高pH，改变了细菌的跨膜pH值和质子动力，这导致抗生素摄取增加，相应地增加了对氨基糖苷类抗生素和氯霉素的敏感性，从而抑制其他细菌的生长。

链霉菌产生多种多样的VOCs，这些挥发性有机化合物都有可能调节链霉菌的生长，同时影响其他土壤微生物的生长。是否有可能利用挥发性有机化合物刺激链霉菌抗生素的产生，这将需要进一步的研究。‍‍

思考与展望

链霉菌的探索行为是一种新型生长模式，关于这种新型模式仍有许多问题有待解决。①探索的潜在机制还不清楚，②在这种情况下，菌落是如何放弃传统分支营养菌丝，而选择菌丝不分支的，③探索是否是一种滑动运动的形式，或它是否代表了一种运动新形式。④微生物挥发性有机化合物是一类尚未开发的代谢物，需要进一步的工作来充分认识这些化合物的生态作用，以及它们的临床和农业潜力。对这些问题的进一步研究将增强我们对链霉菌属生命周期的理解，并为开发新技术来刺激链霉菌专门代谢物的产生以及开发这些生物体新出现的挥发性成分奠定基础。

论文信息

原名：Streptomyces Exploration: Competition, Volatile Communication and New Bacterial Behaviors

译名：生命不息，探索不止：链霉菌的新型生长模式

期刊：Trends in Microbiology

IF₂₀₂₀：13.546

发表时间：2017.06

通讯作者：Marie A. Elliot

通讯作者单位：麦马士达大学生物系和传染病研究所