来源： Nature Microbiology                                                          发布时间：2023年2月9日

       微生物是驱动海洋中大规模生态和生物地球化学过程的引擎。在浮游微生物关系中，浮游植物和细菌之间通常是互惠互利的。浮游植物和细菌之间的代谢物交换，包括各种有机和无机分子、维生素和矿物质，可以促进对方的生长。然而，在广阔的海洋中，这些化学交换的效率受到细胞间距离（平均数百微米）和代谢物浓度梯度（随着与分泌细胞的距离增加而急剧扩散衰减）的影响。尽管如此，浮游植物-细菌之间可能通过在紧邻单个浮游植物细胞的微环境中形成紧密的微环境来克服这些限制，称为藻圈（phycosphere）。细菌可以利用用趋化性（运动细胞侦测化学物质梯度并定向运动的能力）定位并保持在藻圈内的位置，从而与浮游藻类在空间上持续接近，并增强二者间的代谢交换。

       关于浮游植物和细菌之间的相互作用，目前的观点是体积较大的浮游植物能够在胞体周围形成分泌物浓度梯度，但是像聚球藻等超微型浮游植物（只有几微米宽的蓝藻），微小的胞体不利于细菌利用趋化性来检测，也减少了细菌驻留在藻圈空间的可能性。最近，来自悉尼科技大学的研究团队设计了一系列实验和数学模型证明细菌能够利用趋化性来增强它们与超微型浮游植物的代谢交换，并表明细菌行为可能会影响海洋中一些最丰富的微生物之间的生态关系。相关成果于2023年2月发表在Nature Microbiology杂志上。

       研究团队首先通过氮和碳稳定同位素培养测试营养物质是否在细菌和超微型浮游植物之间转移。首先将超微型浮游植物和细菌分别用含有同位素标记的氮源或碳源培养，待清洗数次后再将二者共培养，三个小时后测量单细胞水平的氮和碳同位素组成。结果发现，氮源和碳源分别在两种生物之间发生了转移。氮源从超微浮游植物向细菌转移，而碳源则从细菌向浮游植物转移。

超微浮游植物和细菌之间的代谢交换   图片：Nature Microbiology 

       研究团队使用趋化细菌、可运动趋化缺失突变菌株，以及运动和趋化缺损突变菌株，研究细菌趋化行为是否参与了细菌和超微浮游植物之间的代谢交换。结果发现，在缺少运动或趋化参与的情况下，细菌与超微型浮游植物的代谢交换效率显著下降。这表明细菌趋化运动是在超微浮游植物和细菌之间建立代谢资源交换的重要行为。

       研究团队用数学模型直接模拟了海水中数以千计的细菌的运动，并发现细菌游泳确实可以增强对超微型浮游植物养分的吸收，该模型还能够随时跟踪单个细菌细胞并计算它们与食物的距离。相较无趋化能力的细菌，趋化细菌从超微浮游植物藻圈获得营养的能力增加1.6倍。这是因为趋化使细菌在每个藻圈中的停留了时间延长。频繁且长时间地停留在藻圈导致趋化细菌获得更高的生长速率。

       该研究首次提供了定量证明，即趋化性增强了运动异养海洋细菌对浮游植物衍生代谢物的吸收，并推翻了之前基于大肠杆菌的趋化参数推测海洋细菌将无法对单个超小型浮游植物使用趋化性的观点。这也表明与大肠杆菌相比，海洋细菌具有更高的趋化敏感性。另外，趋化细菌受益于浮游植物，不仅是通过迁移到藻圈中并在其藻圈内保持位置，而是通过与藻圈的瞬时空间关联。这些短暂的相遇为趋化细菌提供了明显的生长优势。

原文链接：Chemotaxis increases metabolic exchanges between marine picophytoplankton and heterotrophic bacteria

编译：黄芳娟，刘晓琳