微生物的運動性和趨化性在共生體系中的作用

馬曉丹， 朝魯蒙， 王思宇， 李繁盛， 包玉英

(內蒙古大學生命科學學院 牧草與特色作物生物技術教育部重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010021)

共生相互作用在所有生態系統中都是普遍存在的，并在塑造地球生命進化、發展和多樣性的形成方面發揮了深遠的作用[1]。真核生物就是通過反復利用共生微生物的代謝作用而不斷進化和發展的。內共生學說認為線粒體起源于被另一個細胞吞噬的線粒體祖先——原線粒體一種能進行三羧酸循環和電子傳遞的革蘭陰性菌。這種好氧細菌被吞噬后，并沒有被消化，而是與宿主細胞形成了共生關系,寄主可以從宿主處獲得更多營養，而宿主則可利用寄主產生的能量,這種關系增加了細胞的競爭力，使其可以適應更多的生存環境。在長期對寄主和宿主都有利的互利共生中，原線粒體逐漸演變形成了線粒體[2]，微生物共生關系存在于現存的大多數生物類群中，并且這種關系的延續依賴于宿主世代之間共生體的傳遞。2019年發布的人類微生物組整合計劃(The Integrative Human Microbiome Project,IHMP)破解了人體內的萬億條共生生命，在研究觀測了身體五大部位的微生物群落后，發現與身體代謝相關的信號通路會受到不同種群的共生微生物控制。盡管宿主-微生物共生關系對進化和生態系統具有重要意義，但對共生微生物在宿主間傳播的理解與研究，僅限于少數幾個典型模式系統[3]。先前的主流理論認為有益的共生體只會直接傳遞給下一代(垂直傳遞)，不會以環境中獲得微生物來形成共生體的方式傳遞(水平傳遞)[4]。但研究表明，許多互利和生態上重要的共生關系都是從環境中獲得共生微生物而形成的。鑒于環境微生物龐大的多樣性體系，共生微生物能夠專性識別宿主并定殖的可能性很小。通常認為，從環境中募集共生微生物需要借助微生物的運動和趨化性(chemotaxis)行為。趨化性行為，又被稱為化學趨向性，指運動性微生物對其生長環境中存在的化學物質的濃度梯度所作出的趨向(正趨化)或遠離(負趨化)該化學物質的反應[5]。趨化性使運動的微生物能夠識別宿主產生的特定信號分子來定殖宿主。在一些模式共生系統中，趨化性對于共生關系的發生和維持具有關鍵作用。然而，在大多數共生關系中，很大程度上忽視了微生物趨化的關鍵作用。宿主依賴于微生物的趨化性和運動性從環境中募集共生微生物的能力可以從其基因組推斷出來。通常微生物的運動性與趨化性密切相關。在化學場中，當微生物局限于原有的作用范圍時，它感受化學梯度的能力也會受到限制。由于缺乏對這些性狀的選擇壓力，編碼趨化性和運動性所需因子的基因在垂直傳播的共生體中通常會丟失，絕大多數從環境獲得共生微生物的測序基因組包含了功能鞭毛和趨化性的全套基因[6]。這包括原生生物、陸地植物、微藻、魚類、昆蟲、腹足類和其他無脊椎動物的共生微生物，表明在廣泛存在的共生伙伴關系中，趨化性可能是建立共生體的機制之一。這里重點論述宿主從環境中募集共生微生物途徑中，微生物的趨化性和運動性對于共生關系的建立和維持的關鍵作用。通過一些已經研究透徹的模式案例以及新的或以前被忽視的案例來說明宿主從環境中募集共生微生物的過程與機制。

1 共生微生物的運動與趨化性

1.1 共生微生物的運動

微生物有很多種運動形式，包括游動(swimming)、涌動(swarming)、滑動(gliding)、蹭行(twitching)以及沖浪(surfing)運動。運動細胞通過跨膜化學受體持續感知特定的化學信號分子來實現趨化性?？缒せ瘜W受體通常在細胞兩極排列成簇，這種成簇行為通過影響相鄰化學受體，放大信號從而使細菌能夠對特定分子中非常小的變化做出反應[7]。趨化信號傳導通路由感受環境中化學物質濃度的跨膜趨化性受體蛋白(Monocyte chemotactic protein,MCP)和細胞質內的調節蛋白參與，MCP精確感受化學信號刺激并實現信號放大[8]。 細胞質內調節蛋白接收化學信號傳遞給鞭毛，使其感受趨化信號并調整鞭毛旋轉方向，最終產生具有偏向性的趨化運動[9]。盡管大多數運動和趨化性的研究集中在少數模式菌株中，如大腸埃希菌(Escherichiacoli)和枯草芽胞桿菌(Bacillussubtilis),物種間趨化性基本傳感通路的復雜性不同，而且蛋白質結構域具有不同特異性，但細菌和古細菌中的趨化性傳感通路是保守的，而在真核生物中，傳感機制多樣，有時甚至是未知的，因此很難對其進行簡單的概述[10]。

微環境中生物體的傳感和運動主要受到物理因素——黏度的約束。在這種環境中，大多數微生物以“兩步走”的方式游動，微生物近似直線的快速泳動(run)階段穿插著一些其他運動方式(翻滾 (tumble)、逆轉(reverse)、跳轉(flick))，進而使運動方向發生改變[11]。不同的微生物以不同的方式完成運動和重新定向。最典型的是大腸埃希菌(E.coli)，直線運行的速度約20 μm/s，用時0.8 s左右，此時周生鞭毛(5～10根)合成一束，鞭毛束逆時針方向旋轉(從細胞體后面觀察)；其突然轉向翻滾的時間約0.2 s，此時鞭毛束散開、順時針方向旋轉(從細胞體后面觀察)[12]。然而，許多海洋細菌只有一根鞭毛，不能像大腸埃希菌一樣游動,這些海洋細菌通常表現出“泳動-后退-跳轉(run-reverse-flick)”[13]的運動方式，緊接著是鞭毛的旋轉，導致重新定向來實現具有偏向性的趨化游動。在這些運動模式中，趨化途徑將化學信號的感知與鞭毛的運動結合起來，依賴于對化學信號的感知從而改變重新定向的時間，以延長有利方向的運行，縮短不利方向的運行，相對于化學梯度其更偏向運動方向[14]。

1.2 微生物的趨化性

趨化性的一個重要組成部分是化學傳感的有效濃度范圍：珊瑚共生體能夠向源濃度約為100 pmol/L的硝酸鈉(NaNO3)趨化[15]；腸道大腸埃希菌向10 nmol/L的氨基酸(amino acids)移動[16]；根際細菌巴西固氮螺菌(Azospirillumbrasilense)和豆科根瘤菌(Rhizobiumleguminosarum)分別向10 nmol/L苯甲酸鹽(benzoate)和1 μmol/L木糖(xylose)趨化；珊瑚病原體珊瑚弧菌(Vibriocoralliilyticus)向15 μmol/L二甲基硫丙酸酯(DMSP)趨化[17]；浮游植物相關細菌硅桿菌屬(Silicibacterspp.)和鹽生假單胞菌(Pseudoalteromonashaloplanktis)的趨化濃度分別為200 μmol/L二甲基巰基丙酸(Dimethylsulfoniopropionate,DMSP)和500 μmol/L DMSP[18]。然而，需要注意的是，這些濃度不一定代表趨化性的最低閾值，因為它們主要來自毛細管實驗分析。毛細管實驗模擬自然環境，隨著源距離的增加而信號濃度降低，趨化反應的真實濃度閾值可能大大低于毛細管內的源濃度。盡管如此，這里所說的趨化閾值通常與相關宿主附近或內部的濃度相對應[17]，這就證實了微生物靠近宿主時的趨化效用。

除了通過浮游運動導向外，共生體通常需要穿過狹窄的間隙，例如內部器官的細孔或密集的土壤基質。在這些物理條件的約束下，許多細菌可以利用表面依賴的運動方式，包括蹭行、滑動和涌動，這些方式并不一定需要鞭毛，也可通過頻繁反轉或重新定向來實現趨化性。在費歇爾弧菌(Aliivibriofischeri)[19]和伯克霍爾德氏菌(Burkholderiasp. RPE64)細菌共生體中發現了另一種能夠在有限空間中運動的方式：鞭毛螺旋纏繞在細胞周圍，以螺旋狀轉動擠過間隙,這種獨特的游動模式在幫助微生物定殖宿主過程中發揮著關鍵作用[20]。

2 共生微生物趨化的生物物理學現象

2.1 缺乏流體動力時的化學梯度

在建立共生伙伴關系的過程中，趨化作用要成為一種有效的募集方法，就必須在缺乏流動的情況下也存在一個使共生微生物能夠感知和響應的化學梯度。從單細胞藻類到多細胞物種，宿主的身體大小跨越許多數量級，它們會向周圍環境釋放發揮信號分子作用的化合物[21]。這些信號分子的命運以及宿主周圍化學場的形狀和范圍取決于環境中的擴散和流體動力學狀態。

當局部流體動力可以忽略時，化學信號傳播的距離取決于共生系統的幾何形狀和信號源的強度。宿主是小的單細胞浮游藻類時，如果信號分子在三維空間中傳播，信號的濃度就會從源表面的最大值按1/r的比例下降(其中r是到源中心的距離)[22]。這意味著，在距離為信號源半徑10倍的情況下(假設背景濃度為零)，化學信號仍將保持其最大值的10%[22]。如果共生微生物沿著宿主的任何內部通道(例如蚯蚓的排泄管)或靠近宿主的外表面(外表面比宿主的共生微生物大幾個數量級，例如大型植物根的表面)時，信號分子在單一空間擴散，信號濃度的線性下降變得更緩慢。

2.2 流體運動的影響

宿主相對應的流體運動會轉移信號分子，并且會改變微生物共生體趨化的化學梯度。所有生物都被一個靠近其表面的黏性邊界層所包圍，在這個區域內，黏著力抑制了流動，化學運輸方式以分子擴散為主[23]。黏性邊界層的厚度隨流體速度的增加而減小，進而形成穩定的化學梯度，使微生物能夠定殖在宿主表面。延伸化學梯度的流層運動具有方向優選性：信號可能從某個更遠的距離方向上被感應到，而在其他方向上被淬滅，這在引誘微生物共生體形成中起到了不可忽略的作用。通常認為，化學梯度會在流體運動變成湍流時被完全破壞，在單個共生微生物的運動尺度以及典型的化學梯度長度尺度上，自然環境中常見的湍流強度往往會拉伸和扭曲化學梯度，而不是完全破壞化學梯度,宿主表面積比湍流渦旋面積大時，黏性邊界層將抑制湍流的流動，從而形成新的化學梯度[24]。因此，即使在流層湍流條件下，趨化性也能發揮作用。

流體流動會影響共生微生物趨化行為的有效性。如果宿主和共生微生物之間的相對流動速度比共生微生物的游動速度更快，那么無論共生微生物游動方向如何，都將無法抵達宿主。由于有目的的趨化性遷移比共生微生物的游動速度慢，流速相對較小時，會對共生關系的建立起到抑制作用。自然環境中的共生相互作用往往更加復雜，宿主表面的相對流動方向取決于共生微生物的位置，共生微生物在掠過宿主時可能只有很小的機會抵達并接觸宿主。

2.3 宿主運動的影響

共生微生物必須沿著它們感知到的化學梯度移動才發揮趨化作用。一些宿主，如微小的真核生物，生活在比湍流產生的最小漩渦(科爾莫戈羅夫尺度Kolmogorov scale，在海洋中通常是10～100 mm[25])更小的尺度上。在這個尺度上，宿主和它的共生微生物都進入到局部流中，它們之間的位移僅僅是運動和流速的小范圍梯度的結果。如果宿主不運動則更有利于趨化作用的實現。對于較大的宿主，例如大多數動物，宿主表面的黏性邊界層形成了共生微生物趨化作用的區域。

宿主通過改變局部化學梯度的流動可以建立或消除其共生微生物的運動性和趨化性。運動原生生物可以在自身附近產生大約100 μm/s的纖毛流速[25]，這比許多海洋細菌的游動速度快，從而防止細菌對它們進行化學趨化作用。有證據表明，這種纖毛流速可能施加使浮游植物重新定向的力來幫助細菌追蹤浮游植物[25]。像斷尾烏賊這樣的幼體宿主，依賴于纖毛運動產生的流力來募集共生微生物，并將其集中在特定的位置。在海洋生境中，珊瑚利用纖毛在其外表面以1.5 mm/s的速度產生水流，而海綿則以220 mm/s的速度產生攝食水流[26]。這些流速遠高于共生微生物的游動速度，可能會影響宿主對共生微生物的募集。如烏賊、珊瑚或海綿產生的強大流速，也意味著宿主表面有很強的流速梯度，迫使宿主周圍的運動細菌與流速梯度方向一致，從而增加它們接觸宿主表面的可能性[27]。

3 趨化作用促進募集

3.1 環境中的外部趨化作用

當宿主和共生微生物具有相似的體型時，對于小型宿主而言，趨化作用可以參與并維持共生微生物與宿主的接觸。對于大型宿主的早期生命階段或在靜止的環境中(如土壤)，即使環境中存在多種多樣的微生物，但這些共生微生物向宿主表面的外部遷移仍具有選擇性[28]。

趨化作用可以選擇性地增加體型相似的共生微生物和宿主之間的相遇率。對于半徑為20 μm的浮游植物細胞，在每毫升有1 000個潛在共生微生物(在沒有趨化作用的情況下)的環境中，平均每73 min會有1個共生微生物隨機遇到宿主(如果共生微生物不能運動，這個時間將增加到115 d),如果宿主產生化學梯度，就會使具有趨化性的共生微生物從更遠的距離被募集;而自然環境下，這種實際距離是未知的，它取決于化學引誘劑的滲出量,如果化學梯度可以延伸到宿主半徑的10倍(在這個例子中是200 μm)，那么每7 min就會有一個趨化共生微生物遇到宿主,這種化學梯度會顯著增加浮游植物細胞周圍趨化共生微生物的濃度;相反，運動但非趨化以及不能運動的細菌將遺留在宿主化學梯度之外,許多水生細菌對真核生物和浮游植物滲出的特定化合物具有高度趨化作用，如DMSP、氨基酸、丙烯酸酯、N-乙酰氨基葡萄糖、葡萄糖、半乳糖、檸檬酸鹽、富馬酸鹽和乙醇酸鹽[29]。此外，已經使用非運動和非趨化突變體證實了趨化性對浮游植物-細菌共生體系建立的重要性[30]。

共生微生物的趨化作用在較大宿主的早期生命階段中可能發揮作用。例如，一些大型藻類通過釋放DMSP來募集特定細菌[31]。珊瑚內生共生藻類，對珊瑚分泌物具有趨化作用，主要在幼體期定殖宿主，特別是對N-乙酰氨基葡萄糖結合凝集素具有趨化作用[15]。來自熱液噴口的多種管蟲的化能合成細菌，包括具有代表性的巨型管蟲(Riftiapachyptila)，幼蟲定居后，在專性器官內增殖之前，會定殖于幼蟲皮膚表面[32]。

3.2 土壤的外部趨化性

土壤環境因多變的含水量、缺乏流體流動以及多孔結構的特性為宿主通過趨化作用募集共生微生物提供了一定的條件。根際是根的表面和貼近根周圍的土層，是土壤-根系-微生物相互作用的微區域，含有非?；钴S的微生物群落。豆科植物與固氮細菌(根瘤菌)有著非常緊密的聯系，這樣的宿主-共生體系已經進化出復雜的化學信號傳導功能，使特定的根瘤菌能夠定殖于根部，最終形成由共生微生物發育成的根瘤。在這種相互作用中，根瘤菌對特定的根系分泌物表現出很強的趨化性，包括碳水化合物、酚類化合物、糖醇和有機酸與脂幾丁寡糖(由根瘤菌合成)迅速聚集在一起，調控和構建根瘤菌結瘤基因的合成，這些結瘤基因調控著寄主植物受體和隨后根瘤的產生[33]。而豆科植物形成根瘤的同時還能與叢枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi,AMF或 AM真菌)形成菌根，最終建立三位一體互惠共生體系，是微生物與植物共生的一種特殊類型。AM真菌能與80%高等植物共生，并且形成菌根共生體[34]。在協同進化過程中，增加了植物提供養分的能力，特別是那些在土壤中緩慢擴散的養分[35]，宿主植物提供真菌結構維持和生長所需的碳水化合物和脂類[5]。已經發現寄主植物根部的分泌物可以誘導刺激AM真菌孢子的萌發和菌絲生長，并非寄主植物的根部分泌物對其有抑制作用[34]。叢枝菌根真菌形成過程中，通過修飾與類黃酮和異黃酮物質新陳代謝相關基因的表達方式，改變了根部分泌類黃酮的結構、分泌量和性質[36]。趨化性似乎也能介導許多其他植物根系共生。例如，被病原體丁香假單胞菌(WPseudomonassyringae)感染的擬南芥幼苗分泌的蘋果酸可以募集有益細菌——枯草芽胞桿菌(B.subtilis)，最終導致病原體的去除和感染的減輕[37]。趨化性驅動的募集也發生在海草根周圍的海洋沉積物中，其中特定的氨基酸，例如絲氨酸、蘇氨酸和甘氨酸等促進共生微生物在根部的定殖[38]。

3.3 微生物群落中的共生趨化作用

盡管迄今發現的絕大多數微生物共生體與真核生物有關，但越來越多的證據表明，原核生物之間的共生相互作用也很普遍[39]。聚集的微生物可以從代謝耦合中獲益，而運動和趨化性的使用可以克服由于雙方體型較小而造成的流速限制以及化學擴散距離短的問題。趨化性常常在許多生境中介導微生物群落的建立和維持。例如，絲狀固氮藍細菌魚腥藻(Anabaenaspp.)會在其異形胞(固氮的厚壁細胞)的接合處分泌特定的信號分子，選擇性地吸引假單胞菌(Pseudomonasspp.)，從而提高固氮率[40]。硫酸鹽還原脫硫菌(Desulfonemaspp.)是另一種生活在富硫化物沉積物界面的絲狀細菌類群，它利用滑動運動在覆蓋著硫普羅卡菌(Thioplocaspp.)的黏液鞘上定殖，從而使這些微生物之間實現硫酸鹽的完全還原和再氧化[40]。這些微生物之間共生的例子支持運動和趨化性的重要作用。

3.4 原生生物——細菌共生體系

宿主的運動可大大降低與共生微生物初始相互作用時的趨化性。當宿主足夠小以至于其化學信號在微生物尺度上以全方位的方式傳播，但又足夠大以至于其運動能力大大超過其共生微生物時，就會出現這種情況。例如，高游動速度(每秒約1 mm)將大大扭曲小原生生物釋放的溶質梯度(直徑約0.1 mm)[41]。由于宿主體積小，這樣的速度也表明共生微生物只有非常短的時間遷移到宿主表面。相比之下，對于移動速度比共生微生物慢的此類小型宿主，趨化性仍然可以調節共生微生物的募集。例如，變形蟲通過趨化性募集兩種伯克霍爾德氏(Burkholderiaspp.)菌株，潛在地使用富含脯氨酸的肽作為信號分子[41]，隨后，這些細菌幫助它們的宿主尋找其他微生物。

原生生物和細菌的相互作用幾乎發生在每個生態系統中，其中以木材為食的白蟻腸道中進行的共生相互作用最典型。在這種環境中，一些原生生物完全被來自螺旋菌門(Spirochaetes)和互養菌門(Synergistetes phyla)的數千種細菌共生體所附著，推動著原本不運動的原生生物，使它們能夠在高度結構化的白蟻腸道中穿行，并通過吸收纖維素降解產物的方式來維持生長[42]。其他外共生微生物并不直接參與原生動物的運動，而是作為趨化傳感器發揮作用，使它們的宿主能夠引導其游向特定的化合物(如乙酸鈉)。在這種情況下，通常附著原生生物整個表面的細菌共生體對宿主的運動沒有作用，但當它們被抗生素去除后，宿主也就喪失了利用化學梯度的能力[43]。

4 定殖宿主器官的趨化作用

宿主比它們的共生微生物大幾個數量級時，它們可以通過主動抽水、進食或游動等機制，在最初與共生微生物的接觸中發揮更積極的作用。這些宿主的行為通常會抑制共生微生物的運動，會顯著消除共生微生物趨化性的效用。即使在這些情況下，共生微生物的趨化行為在其接近宿主后也是有效的。當共生微生物離宿主表面幾百微米以內時，由于相對流體運動的減少，共生微生物的運動變得有效，這種情況也有例外，如珊瑚可通過纖毛直接在其表面附近產生強大的流體運動[44]。這為共生微生物提供了利用趨化性靶向宿主表面特定區域或孔隙的機會。

在大型宿主與其共生微生物初次相遇后，共生微生物會選擇進入更小的生境，在宿主體內遷移并到達要定殖的器官[26]。內部遷移的特點是具有高度選擇性，宿主內部會逐級檢查和排除非特異性共生微生物以及抑制其活性[26]。具有引導趨化共生梯度的內部長通道提供了一個可以選擇共生微生物，并將它們引導到正確位置(例如角苔黏液腔或烏賊管腔)的屏障。運動且具有趨化性的共生微生物將通過1 mm長的通道，其速率比運動但非趨化微生物高10倍，比非運動微生物高20 000倍，選擇性隨著通道長度的增加而增加(對于10 mm通道，趨化性運動微生物的富集是非趨化性運動微生物的55倍)[45]。再加上宿主的額外消除機制，表明共生微生物趨化性可以大大提高大型宿主的選擇性。

費氏弧菌(A.fischeri)和夏威夷短尾烏賊(Euprymnascolopes)之間的共生關系是一個很典型的共生模式，其中宿主利用腹側細菌產生的光作為夜間覓食時抵御捕食者的偽裝[46]。烏賊幼體孵化后的幾個小時內，通過特殊附肢上的纖毛將細菌掃入烏賊的光器官附近并積聚在宿主分泌的黏液中。黏液基質內的費氏弧菌通過趨化作用沿著幾丁質梯度穿過導管和前庭，主動向光器官的孔隙遷移，最終到達光器官的隱窩[46]。與伯克霍爾德氏菌(Burkholderiaspp.)相似，費氏弧菌也可以螺旋游動，并可能在內部遷移過程中使用這種形式的運動[19]。 成功定殖于隱窩后，費氏弧菌失去運動性，烏賊特殊附屬物纖毛發生細胞凋亡，共生細菌的募集停止[19，46]。這些共生菌群由具有運動性和趨化性的細菌組成，包括玫瑰桿菌屬(Roseobacter)、假單胞菌屬(Pseudoalteromonas)、弧菌屬(Vibrio)和舍瓦內拉屬(Shewanella)[47]。這表明在許多海洋共生生物體內可能存在與費氏弧菌通過趨化性定殖宿主內部器官相似的共生機制。

在陸地環境中，植物最常見的共生藍藻細菌是固氮念珠藍細菌(Nostocspp.)[48]。這些念珠藍藻細菌通常不運動，它們的宿主植物分泌激素誘導因子，刺激共生體產生細胞表面特殊附屬物，使細菌能夠滑向和趨化于植物表面的特定進入點，包括根、莖、葉或芽。隨后，宿主植物產生的化學信號內在的誘導念珠藍細菌進入共生腔并抑制激素誘導因子的形成，致使運動停止，使其分化為固氮共生體[49]。

5 展 望

宿主與共生微生物相互作用現象已經普遍存在于各個生態系統中，并發揮著不可取代的作用。雖然有少數例子表明，微生物趨化性和運動性不是從環境中募集共生微生物的唯一機制，但是有眾多案例表明，許多從環境中募集的共生微生物都是利用運動性和趨化性來定殖宿主的?？紤]到宿主的大小、形態以及棲息地的生物物理性質后，許多宿主可以利用微生物的趨化特點從外部環境中募集到互利共生微生物。隨著共生體系的普遍性和生態重要性的不斷發展，研究共生微生物的獲得將為更好地理解和控制重要共生體系建立的因素提供參考，宿主如何從環境中募集共生微生物的機制值得進行更深入的研究與驗證。