土壤真菌會喚醒沉睡中的細菌

導  讀

當土壤變得乾燥時，對土壤細菌的活性產生負面影響。研究人員利用最先進的分析和成像技術的創新組合，發現真菌通過給乾燥且營養低下的棲息地的細菌提供水和營養物質來增加細菌的活性。真菌在土壤中調節乾旱脅迫並維持生態系統功能的能力是氣候變化背景下的重要見解。

編譯/陳能場（廣東省生態環境技術研究所研究員）

來源：https://www.sciencedaily.com/releases/2017/06/170607085344.htm（2017年6月7日），原題為「Fungi awake bacteria from their slumber」

NanoSIMS是一款二次離子質譜系統，空間解析度低至50納米。這種高解析度與其質量敏感性相結合，可以檢測細胞表面的元素和同位素以及細胞內的化學變化。該儀器是新建立的研究平台ProVIS的一部分。 樣品分析中的Niculina Musat博士和Hryhoriy Stryhanyuk博士（文章的合著者）。照片版權：UFZ

      當土壤變得乾燥時，對土壤細菌的活性會受到負面影響。利用先進的分析和成像技術的創新組合，UFZ的研究人員現已發現，真菌通過給乾燥且營養貧乏的棲息地的細菌提供水和營養物質來增加細菌的活性。真菌在土壤中調節乾旱脅迫並維持生態系統功能的能力，是氣候變化背景下的重要見解。

      許多真菌通過被稱為菌絲的絲狀體在土壤中擴展成為細絲網路。在尋找水分和養分時，菌絲會朝不同的方向生長，不斷擴大網路。一旦發現水分和營養物質，它們被吸收並通過菌絲運輸到處於乾燥或營養貧乏的土壤區域的真菌網路部分。菌絲管輸送物質受益的不僅僅是真菌本身，細菌也可以從中獲得它們繁殖所需的水分和營養。

      UFZ研究小組最近在「自然通訊」雜誌上發表的一項研究證明了這一點。「長期以來我們一直懷疑真菌在土壤水分預算中發揮著重要作用，」UFZ環境生物技術專家Matthias K?stner教授說，「現在，利用來自UFZ ProVIS研究平台的二次離子質譜技術（NanoSIMS和ToF-SIMS），我們終於獲得了實驗證據。」

       作為調查的一部分，研究人員仔細檢查了水分、底物和營養物質通過真菌微小的菌絲傳輸。他們在水、葡萄糖和含氮營養素的培養基上培養真菌。真菌菌絲必須通過乾燥的、無營養的區域才能生長到含有培養基的新區域，在這個不適於棲息的過渡區含有普通土壤細菌—枯草芽孢桿菌的孢子。孢子是處於不活潑狀態的芽胞桿菌，這時沒有足夠的水、食物和營養物可用於其生長。細菌進入一種休眠階段，一旦環境條件有利於其再次生活，細菌就會從休眠中醒來。

       在實驗中，真菌的生長確實改善了這些環境條件：「當真菌菌絲穿過乾燥區生長時，細菌孢子萌發，我們注意到它有明確的微生物活性，」 UFZ環境微生物學家Lukas Y. Wick博士說。 「真菌顯然改善了細菌的環境條件，並將它們從沉睡中喚醒，如同搖醒睡美人。」但是當真菌菌絲直接靠近細菌孢子生長時，在化學水平上究竟發生了什麼呢？為了回答這個問題，研究人員用穩定的同位素預先標記了培養基中的水、葡萄糖和含氮營養素。如果這些物質從真菌轉移到細菌中，則可以使用同位素標記和NanoSIMS方法以納米尺度的空間解析度對其進行檢測。「NanoSIMS方法揭示了元素和同位素的分布，因此可以讓我們觀察代謝過程，」K?stner解釋說。 「事實證明，我們的確發現了細菌細胞團中含有標記水、葡萄糖和含氮營養素的穩定同位素，而這些營養素只能來自真菌。」

       這項研究為UFZ研究人員提供了真菌及其在土壤中重要功能的另一重要見解。真菌起到水泵、基質和營養物質的泵站和管道的作用，可以在不適宜棲息的地方讓細菌繁殖，使它們適合細菌生長 ，從而刺激土壤中的微生物活動。在以前的研究中，研究人員已經表明，真菌菌絲為細菌開通一條真菌高速公路，可以讓細菌四處移動，並為細菌基因轉移提供熱點。Wick繼續說道：「這項最新研究的結果再一次證明，通過與細菌的相互作用，真菌在土壤生態系統中起著重要的，以前其作用被低估了。」

       例如，如果土壤被污染物污染，細菌可以將其分解。 但如果土壤太乾燥，降解過程將會停止。「如果幹旱持續的時間不長，真菌能起到穩定作用，可以確保降解過程的持續進行。尤其是在氣候變化的影響方面，如果土壤的乾濕比例顯著增加，這個作用很重要，」 K?stner說。 因此，在未來的調查中，研究人員打算將土壤視為真正的生態系統。「我們希望在不同的環境條件下進行土壤實驗，找出真菌生長對污染物分解的影響，」Wick說，「重要的是要更好地了解真菌在土壤生態系統中的作用，只有當我們知道土壤如何工作時，才能對變化做出反應，例如由氣候變化引起的變化，並做出明智的決定。」

Journal Reference:

Anja Worrich, Hryhoriy Stryhanyuk, Niculina Musat, Sara K?nig, Thomas Banitz, Florian Centler, Karin Frank, Martin Thullner, Hauke Harms, Hans-Hermann Richnow, Anja Miltner, Matthias K?stner, 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

編譯水平有限，如有錯誤敬請批評指正。

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