【LorMe周刊】微生物“顺风车”:链霉菌孢子如何借助土壤细菌迁移
作者：姚感，南京农业大学博士在读，主要研究链霉菌代谢产物对植物根系微环境的影响。
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！本期周刊为您介绍植物免疫机制的进化论，原文于2021年发表在《The ISME Journal》上。
链霉菌是一种广泛存在于环境中的革兰氏阳性细菌，通常因其卓越的活性次级代谢产物产生能力而备受关注，这也使其作为生防微生物成为农业生物有机肥的开发对象之一。链霉菌是一种固着细菌，其运动性较差，这限制了链霉菌在土壤和植物根系等环境中的散布。近日，来自荷兰莱登大学生物学研究所的Ariane Briegel教授提出并证明了，链霉菌孢子可以通过微生物“顺风车”行为借助土壤细菌协助其散布，并借助土壤细菌对植物根系的趋势性将孢子定向运输至植物根系的现象。并解释了产生这一现象的原因是链霉菌孢子外壳上的罗德林(rodlin)蛋白可以与土壤细菌的鞭毛相互作用，使土壤细菌在群游和蹭行时协助了链霉菌孢子的散布。并表明链霉菌孢子借助土壤微生物迁移是具有保守性的，在不同的链霉菌和不同的土壤细菌中都体现。
将天蓝色链霉菌(Strecomyces coelicolor, Sc)孢子与枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis, Bs)的培养液混合后接种到琼脂平板上培养，结果证明了Bs对Sc孢子具有散布的作用。5天后，在加入Bs的所有平板上均可见分散的Sc群落(图1A)。Bs的孢子散布在整个平板表面上并达到边缘(距接种点4.5 cm)。为了证明Sc孢子是由Bs移动而不仅仅是漂浮在不断扩大的Bs菌落中，我们进行了相同的实验，但分别将Sc孢子和Bs培养液接种到了平板上的不同区域。在所有平板中，所形成的Sc菌落在平板上形成从Bs接种位点发散出而出的条纹状(图1B)。在12 cm的平板上重复进行此实验，Sc孢子可以散布到距孢子接种点10 cm处的平板边缘。
在自然界中，Sc和Bs均在含有植物根系分泌物的植物根系附近生长，但只有Bs能向根系移动。随后开展试验以确定Bs是否可以运输Sc孢子到植物组织。Bs和植物平板实验表明，在植物组织周围，Bs响应植物根系分泌物大量生长繁殖使培养皿变得浑浊 (图1C，右)。与之前的实验相同，Sc孢子只有在与Bs存在时才表现出运动性，分散的孢子在所有情况下都会优先在植物组织附近建立菌落 (图1C，左)。
图1 枯草芽孢杆菌可以运输天蓝色链霉菌孢子(A：当Sc和Bs接种于平板中心时，可见Sc菌落(白点)在Bs存在时散布。左：Sc与Bs；中：Sc；右：Bs。B: 当Sc和Bs平板上不同位置接种时，Sc菌落向Bs菌体扩散方向散布(黑色箭头)。星号表示Bs的接种位置。C：Bs可以将Sc孢子移向植物组织。左：Sc加Bs；中间：Sc；右：Bs；*表示Bs接种位置。）
Bs具有鞭毛介导的泳动和群游两种运动模式，分别发生在液体环境和固体表面。在我们的实验中，我们使用的是可以群游的野生株 Bs(NCIB3610)，为了确定Sc孢子可否被泳动和群游的菌体运输，我们用实验室培养的Bs菌株（不具备群游能力）和野生株定向突变株Bs菌株(Δepsh srfAA，DK1484，仅具有泳动能力)进行了重复实验，琼脂游泳平板(0.27％琼脂)上没有发生孢子运输(图2A和S2)。因此得出结论，孢子运输可以通过群游而不是泳动来完成。除了鞭毛运动，Bs还可以通过蹭行移动，为了确定孢子是否可以通过蹭行散布，我们使用了具有鞭毛但鞭毛不能旋转的Bs突变体(ΔmotAB，DS222)和不具有鞭毛的突变体(Δhag，DS1677)。在所有实验中，ΔmotAB菌株将孢子移动到整个表面并移至琼脂平板的边缘(距离接种位4.5 cm，图2B)。Δhag菌株散布Sc孢子能力严重降低，平均最大距离为0.95±0.85 cm(图2B)。因此，我们推测孢子的散布也可以通过蹭行而发生，但是鞭毛的存在会促进孢子的散布(图2C)。
图2 Bs可以通过群游和蹭行来运输孢子(A: 野生型Bs可以在琼脂平板上运输孢子，但是仅泳动菌株(实验室培养的Bs菌株和ΔepsH srfAA)不能。B:具有鞭毛但缺乏鞭毛运动性的ΔmotAB可以通过蹭行散布孢子。不具有鞭毛的Δhag菌株无法通过蹭行散布孢子。C: 总之，孢子通过鞭毛依赖的方式通过群游(野生型)和蹭行(ΔmotAB)散布。但是，孢子不会通过泳动(实验室培养Bs或ΔepsHsrfAA)散布，在没有鞭毛(Δhag)的情况下通过滑动不会明显散布。)
我们利用几种显微镜方法阐明了Bs对Sc孢子散布的机制。荧光标记的Sc孢子在荧光显微镜下不具备运动性。将Bs添加入时，这些孢子会定位在Bs细胞极附近(图3A)。在某些情况下，孢子在载玻片的表面上是静止的，并且可以看到一个相关的Bs细胞围绕孢子旋转。该观察结果表明，Sc孢子直接附着在Bs鞭毛上，因此在这些情况下有效地模仿了鞭毛系绳。为了验证Sc孢子不直接与Bs细胞体相互作用，我们用冷冻电子显微镜对Sc孢子和Bs细胞的混合物进行了成像。像荧光显微镜图像一样，Sc孢子位于Bs细胞极附近，但不与Bs细胞体直接接触（图3B）。
图3 显微镜观察结果表明Sc孢子直接粘附于Bs鞭毛上(A：未标记Bs细胞的染料标记孢子的荧光显微镜观察表明，这些孢子位于Bs的细胞极。B：混合的Sc孢子和Bs细胞的冷冻电子显微镜检查表明，孢子不直接粘附在Bs细胞体上。C：Cryo-EM显示Bs鞭毛与Sc孢子集合。D：染料标记的剪切鞭毛和孢子的荧光显微镜观察表明，孢子与Bs鞭毛直接相互作用，形成了两个组分的扩展缔合。)
大多数链霉菌孢子的外表面都具有纤维状的小杆状层，这是由罗德林蛋白组成的成对排列的小杆状的条纹。有趣的是，与其他链霉菌相比，Sa孢子的散布程度较差，并且它是唯一经过测试的天然缺乏罗德林蛋白的物种。同样，缺乏罗丹蛋白的Sc突变株(Δrd1AB)也不具备“搭便车”的能力。
图4 罗德林蛋白的存在促进了链霉菌孢子的搭便车（A：野生型链霉菌孢子和缺乏罗丹蛋白的ΔrdlABn孢子散布实验，所有野生链霉菌孢子均可以被Bs散布，但Sa散布距离最短，ΔrdlABn引罗德林蛋白缺失而失去散布能力。B：来自A的Bs孢子群板的代表性图像。Bs接种部位标有星号。 C：野生型Sc孢子的SEM显示了具有成对小棒的小棒层。 D：分离的Sc孢子的代表性冷冻电镜图像显示，小棒层没有覆盖整个孢子，但两极暴露在外。 E：冷冻电镜显示鞭毛优先与小球层相互作用。F：从E进行的重组片段清楚地表明鞭毛和罗德林的相互作用。）
为了确定在其他链霉菌种中是否也发生了借助Bs的孢子散布，我们用唐德链霉菌(St)，灰色链霉菌(Sg)，疮痂病链霉菌(Ss)和阿维链霉菌(Sa)进行了实验。在所有实验中Bs将野生型Sc孢子散布，从初始接种点移动平均最大距离为2.67±0.43 cm。同样，结果表明，在所有试验中St，Sg和Ss孢子被散布，距离与Sc孢子相似。然而，Sa孢子散布的距离明显较短(图4A，B)。由于Sc和Sg的最后一个共同祖先存在于2亿多年前，并且两个物种都具有搭便车的能力，因此这些数据表明，其祖先也具有这种散布机制，并且具备保守性。
尽管枯草芽孢杆菌在土壤中无处不在，但其他土壤细菌部分也有具鞭毛，也可能有助于Sc孢子的散布。因此，我们用荧光假单胞菌(Pf，R1SS101)进行了实验，该菌株也与植物根系天然相关。重要的是，Pf的孢子散布结果与Bs相似，但Sc菌落出现的模式让人联想到假单胞菌群模式。这些数据表明，搭便车是一种广泛的机制，可使链霉菌的孢子在厘米级散布(图5)。
图5 搭便车模型的概述。(定植链霉菌的孢子通过直接附着到运动细菌的鞭毛上，以厘米为尺度被运输到植物的根系。孢子发芽并产生抗生素(红色梯度)以抵御微生物竞争者。)
近期的研究表明链霉菌孢子可以借助线虫和昆虫进行长距离扩散，但链霉菌在植物根系如何在厘米尺度上扩散的机制尚未清楚。本研究作者通过Sc孢子可以被Bs和Pf散布等实验验证链霉菌的孢子能够通过直接附着在鞭毛上而利用运动土壤微生物的散布机制。随后借助拟南芥进行的实验表明，Bs可以将Sc孢子转运到植物根系。这些“顺风车”式的散布机制，可为链霉菌的孢子提供一种易位到植物根际等有益环境的途径。这样可使孢子在富含植物根系分泌物的有利位置萌发，从而形成丝状菌落并产生抗生素，进而保护植物免受潜在的植物病原体的侵害。
论文信息
原名：Microbial hitchhiking: how Streptomyces spores aretransported by motile soil bacteria
译名：微生物顺风车:链霉菌孢子如何借助土壤细菌迁移
期刊：The ISME Journal
IF2020：9.180
发表时间：2021.3
通讯作者：Ariane Briegel
通讯作者单位：莱顿大学生物研究所