微生物的运动性和趋化性在共生体系中的作用

马晓丹， 朝鲁蒙， 王思宇， 李繁盛， 包玉英

(内蒙古大学生命科学学院 牧草与特色作物生物技术教育部重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010021)

共生相互作用在所有生态系统中都是普遍存在的，并在塑造地球生命进化、发展和多样性的形成方面发挥了深远的作用[1]。真核生物就是通过反复利用共生微生物的代谢作用而不断进化和发展的。内共生学说认为线粒体起源于被另一个细胞吞噬的线粒体祖先——原线粒体一种能进行三羧酸循环和电子传递的革兰阴性菌。这种好氧细菌被吞噬后，并没有被消化，而是与宿主细胞形成了共生关系,寄主可以从宿主处获得更多营养，而宿主则可利用寄主产生的能量,这种关系增加了细胞的竞争力，使其可以适应更多的生存环境。在长期对寄主和宿主都有利的互利共生中，原线粒体逐渐演变形成了线粒体[2]，微生物共生关系存在于现存的大多数生物类群中，并且这种关系的延续依赖于宿主世代之间共生体的传递。2019年发布的人类微生物组整合计划(The Integrative Human Microbiome Project,IHMP)破解了人体内的万亿条共生生命，在研究观测了身体五大部位的微生物群落后，发现与身体代谢相关的信号通路会受到不同种群的共生微生物控制。尽管宿主-微生物共生关系对进化和生态系统具有重要意义，但对共生微生物在宿主间传播的理解与研究，仅限于少数几个典型模式系统[3]。先前的主流理论认为有益的共生体只会直接传递给下一代(垂直传递)，不会以环境中获得微生物来形成共生体的方式传递(水平传递)[4]。但研究表明，许多互利和生态上重要的共生关系都是从环境中获得共生微生物而形成的。鉴于环境微生物庞大的多样性体系，共生微生物能够专性识别宿主并定殖的可能性很小。通常认为，从环境中募集共生微生物需要借助微生物的运动和趋化性(chemotaxis)行为。趋化性行为，又被称为化学趋向性，指运动性微生物对其生长环境中存在的化学物质的浓度梯度所作出的趋向(正趋化)或远离(负趋化)该化学物质的反应[5]。趋化性使运动的微生物能够识别宿主产生的特定信号分子来定殖宿主。在一些模式共生系统中，趋化性对于共生关系的发生和维持具有关键作用。然而，在大多数共生关系中，很大程度上忽视了微生物趋化的关键作用。宿主依赖于微生物的趋化性和运动性从环境中募集共生微生物的能力可以从其基因组推断出来。通常微生物的运动性与趋化性密切相关。在化学场中，当微生物局限于原有的作用范围时，它感受化学梯度的能力也会受到限制。由于缺乏对这些性状的选择压力，编码趋化性和运动性所需因子的基因在垂直传播的共生体中通常会丢失，绝大多数从环境获得共生微生物的测序基因组包含了功能鞭毛和趋化性的全套基因[6]。这包括原生生物、陆地植物、微藻、鱼类、昆虫、腹足类和其他无脊椎动物的共生微生物，表明在广泛存在的共生伙伴关系中，趋化性可能是建立共生体的机制之一。这里重点论述宿主从环境中募集共生微生物途径中，微生物的趋化性和运动性对于共生关系的建立和维持的关键作用。通过一些已经研究透彻的模式案例以及新的或以前被忽视的案例来说明宿主从环境中募集共生微生物的过程与机制。

1 共生微生物的运动与趋化性

1.1 共生微生物的运动

微生物有很多种运动形式，包括游动(swimming)、涌动(swarming)、滑动(gliding)、蹭行(twitching)以及冲浪(surfing)运动。运动细胞通过跨膜化学受体持续感知特定的化学信号分子来实现趋化性。跨膜化学受体通常在细胞两极排列成簇，这种成簇行为通过影响相邻化学受体，放大信号从而使细菌能够对特定分子中非常小的变化做出反应[7]。趋化信号传导通路由感受环境中化学物质浓度的跨膜趋化性受体蛋白(Monocyte chemotactic protein,MCP)和细胞质内的调节蛋白参与，MCP精确感受化学信号刺激并实现信号放大[8]。 细胞质内调节蛋白接收化学信号传递给鞭毛，使其感受趋化信号并调整鞭毛旋转方向，最终产生具有偏向性的趋化运动[9]。尽管大多数运动和趋化性的研究集中在少数模式菌株中，如大肠埃希菌(Escherichiacoli)和枯草芽胞杆菌(Bacillussubtilis),物种间趋化性基本传感通路的复杂性不同，而且蛋白质结构域具有不同特异性，但细菌和古细菌中的趋化性传感通路是保守的，而在真核生物中，传感机制多样，有时甚至是未知的，因此很难对其进行简单的概述[10]。

微环境中生物体的传感和运动主要受到物理因素——黏度的约束。在这种环境中，大多数微生物以“两步走”的方式游动，微生物近似直线的快速泳动(run)阶段穿插着一些其他运动方式(翻滚 (tumble)、逆转(reverse)、跳转(flick))，进而使运动方向发生改变[11]。不同的微生物以不同的方式完成运动和重新定向。最典型的是大肠埃希菌(E.coli)，直线运行的速度约20 μm/s，用时0.8 s左右，此时周生鞭毛(5～10根)合成一束，鞭毛束逆时针方向旋转(从细胞体后面观察)；其突然转向翻滚的时间约0.2 s，此时鞭毛束散开、顺时针方向旋转(从细胞体后面观察)[12]。然而，许多海洋细菌只有一根鞭毛，不能像大肠埃希菌一样游动,这些海洋细菌通常表现出“泳动-后退-跳转(run-reverse-flick)”[13]的运动方式，紧接着是鞭毛的旋转，导致重新定向来实现具有偏向性的趋化游动。在这些运动模式中，趋化途径将化学信号的感知与鞭毛的运动结合起来，依赖于对化学信号的感知从而改变重新定向的时间，以延长有利方向的运行，缩短不利方向的运行，相对于化学梯度其更偏向运动方向[14]。

1.2 微生物的趋化性

趋化性的一个重要组成部分是化学传感的有效浓度范围：珊瑚共生体能够向源浓度约为100 pmol/L的硝酸钠(NaNO3)趋化[15]；肠道大肠埃希菌向10 nmol/L的氨基酸(amino acids)移动[16]；根际细菌巴西固氮螺菌(Azospirillumbrasilense)和豆科根瘤菌(Rhizobiumleguminosarum)分别向10 nmol/L苯甲酸盐(benzoate)和1 μmol/L木糖(xylose)趋化；珊瑚病原体珊瑚弧菌(Vibriocoralliilyticus)向15 μmol/L二甲基硫丙酸酯(DMSP)趋化[17]；浮游植物相关细菌硅杆菌属(Silicibacterspp.)和盐生假单胞菌(Pseudoalteromonashaloplanktis)的趋化浓度分别为200 μmol/L二甲基巯基丙酸(Dimethylsulfoniopropionate,DMSP)和500 μmol/L DMSP[18]。然而，需要注意的是，这些浓度不一定代表趋化性的最低阈值，因为它们主要来自毛细管实验分析。毛细管实验模拟自然环境，随着源距离的增加而信号浓度降低，趋化反应的真实浓度阈值可能大大低于毛细管内的源浓度。尽管如此，这里所说的趋化阈值通常与相关宿主附近或内部的浓度相对应[17]，这就证实了微生物靠近宿主时的趋化效用。

除了通过浮游运动导向外，共生体通常需要穿过狭窄的间隙，例如内部器官的细孔或密集的土壤基质。在这些物理条件的约束下，许多细菌可以利用表面依赖的运动方式，包括蹭行、滑动和涌动，这些方式并不一定需要鞭毛，也可通过频繁反转或重新定向来实现趋化性。在费歇尔弧菌(Aliivibriofischeri)[19]和伯克霍尔德氏菌(Burkholderiasp. RPE64)细菌共生体中发现了另一种能够在有限空间中运动的方式：鞭毛螺旋缠绕在细胞周围，以螺旋状转动挤过间隙,这种独特的游动模式在帮助微生物定殖宿主过程中发挥着关键作用[20]。

2 共生微生物趋化的生物物理学现象

2.1 缺乏流体动力时的化学梯度

在建立共生伙伴关系的过程中，趋化作用要成为一种有效的募集方法，就必须在缺乏流动的情况下也存在一个使共生微生物能够感知和响应的化学梯度。从单细胞藻类到多细胞物种，宿主的身体大小跨越许多数量级，它们会向周围环境释放发挥信号分子作用的化合物[21]。这些信号分子的命运以及宿主周围化学场的形状和范围取决于环境中的扩散和流体动力学状态。

当局部流体动力可以忽略时，化学信号传播的距离取决于共生系统的几何形状和信号源的强度。宿主是小的单细胞浮游藻类时，如果信号分子在三维空间中传播，信号的浓度就会从源表面的最大值按1/r的比例下降(其中r是到源中心的距离)[22]。这意味着，在距离为信号源半径10倍的情况下(假设背景浓度为零)，化学信号仍将保持其最大值的10%[22]。如果共生微生物沿着宿主的任何内部通道(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几个数量级，例如大型植物根的表面)时，信号分子在单一空间扩散，信号浓度的线性下降变得更缓慢。

2.2 流体运动的影响

宿主相对应的流体运动会转移信号分子，并且会改变微生物共生体趋化的化学梯度。所有生物都被一个靠近其表面的黏性边界层所包围，在这个区域内，黏着力抑制了流动，化学运输方式以分子扩散为主[23]。黏性边界层的厚度随流体速度的增加而减小，进而形成稳定的化学梯度，使微生物能够定殖在宿主表面。延伸化学梯度的流层运动具有方向优选性：信号可能从某个更远的距离方向上被感应到，而在其他方向上被淬灭，这在引诱微生物共生体形成中起到了不可忽略的作用。通常认为，化学梯度会在流体运动变成湍流时被完全破坏，在单个共生微生物的运动尺度以及典型的化学梯度长度尺度上，自然环境中常见的湍流强度往往会拉伸和扭曲化学梯度，而不是完全破坏化学梯度,宿主表面积比湍流涡旋面积大时，黏性边界层将抑制湍流的流动，从而形成新的化学梯度[24]。因此，即使在流层湍流条件下，趋化性也能发挥作用。

流体流动会影响共生微生物趋化行为的有效性。如果宿主和共生微生物之间的相对流动速度比共生微生物的游动速度更快，那么无论共生微生物游动方向如何，都将无法抵达宿主。由于有目的的趋化性迁移比共生微生物的游动速度慢，流速相对较小时，会对共生关系的建立起到抑制作用。自然环境中的共生相互作用往往更加复杂，宿主表面的相对流动方向取决于共生微生物的位置，共生微生物在掠过宿主时可能只有很小的机会抵达并接触宿主。

2.3 宿主运动的影响

共生微生物必须沿着它们感知到的化学梯度移动才发挥趋化作用。一些宿主，如微小的真核生物，生活在比湍流产生的最小漩涡(科尔莫戈罗夫尺度Kolmogorov scale，在海洋中通常是10～100 mm[25])更小的尺度上。在这个尺度上，宿主和它的共生微生物都进入到局部流中，它们之间的位移仅仅是运动和流速的小范围梯度的结果。如果宿主不运动则更有利于趋化作用的实现。对于较大的宿主，例如大多数动物，宿主表面的黏性边界层形成了共生微生物趋化作用的区域。

宿主通过改变局部化学梯度的流动可以建立或消除其共生微生物的运动性和趋化性。运动原生生物可以在自身附近产生大约100 μm/s的纤毛流速[25]，这比许多海洋细菌的游动速度快，从而防止细菌对它们进行化学趋化作用。有证据表明，这种纤毛流速可能施加使浮游植物重新定向的力来帮助细菌追踪浮游植物[25]。像断尾乌贼这样的幼体宿主，依赖于纤毛运动产生的流力来募集共生微生物，并将其集中在特定的位置。在海洋生境中，珊瑚利用纤毛在其外表面以1.5 mm/s的速度产生水流，而海绵则以220 mm/s的速度产生摄食水流[26]。这些流速远高于共生微生物的游动速度，可能会影响宿主对共生微生物的募集。如乌贼、珊瑚或海绵产生的强大流速，也意味着宿主表面有很强的流速梯度，迫使宿主周围的运动细菌与流速梯度方向一致，从而增加它们接触宿主表面的可能性[27]。

3 趋化作用促进募集

3.1 环境中的外部趋化作用

当宿主和共生微生物具有相似的体型时，对于小型宿主而言，趋化作用可以参与并维持共生微生物与宿主的接触。对于大型宿主的早期生命阶段或在静止的环境中(如土壤)，即使环境中存在多种多样的微生物，但这些共生微生物向宿主表面的外部迁移仍具有选择性[28]。

趋化作用可以选择性地增加体型相似的共生微生物和宿主之间的相遇率。对于半径为20 μm的浮游植物细胞，在每毫升有1 000个潜在共生微生物(在没有趋化作用的情况下)的环境中，平均每73 min会有1个共生微生物随机遇到宿主(如果共生微生物不能运动，这个时间将增加到115 d),如果宿主产生化学梯度，就会使具有趋化性的共生微生物从更远的距离被募集;而自然环境下，这种实际距离是未知的，它取决于化学引诱剂的渗出量,如果化学梯度可以延伸到宿主半径的10倍(在这个例子中是200 μm)，那么每7 min就会有一个趋化共生微生物遇到宿主,这种化学梯度会显著增加浮游植物细胞周围趋化共生微生物的浓度;相反，运动但非趋化以及不能运动的细菌将遗留在宿主化学梯度之外,许多水生细菌对真核生物和浮游植物渗出的特定化合物具有高度趋化作用，如DMSP、氨基酸、丙烯酸酯、N-乙酰氨基葡萄糖、葡萄糖、半乳糖、柠檬酸盐、富马酸盐和乙醇酸盐[29]。此外，已经使用非运动和非趋化突变体证实了趋化性对浮游植物-细菌共生体系建立的重要性[30]。

共生微生物的趋化作用在较大宿主的早期生命阶段中可能发挥作用。例如，一些大型藻类通过释放DMSP来募集特定细菌[31]。珊瑚内生共生藻类，对珊瑚分泌物具有趋化作用，主要在幼体期定殖宿主，特别是对N-乙酰氨基葡萄糖结合凝集素具有趋化作用[15]。来自热液喷口的多种管虫的化能合成细菌，包括具有代表性的巨型管虫(Riftiapachyptila)，幼虫定居后，在专性器官内增殖之前，会定殖于幼虫皮肤表面[32]。

3.2 土壤的外部趋化性

土壤环境因多变的含水量、缺乏流体流动以及多孔结构的特性为宿主通过趋化作用募集共生微生物提供了一定的条件。根际是根的表面和贴近根周围的土层，是土壤-根系-微生物相互作用的微区域，含有非常活跃的微生物群落。豆科植物与固氮细菌(根瘤菌)有着非常紧密的联系，这样的宿主-共生体系已经进化出复杂的化学信号传导功能，使特定的根瘤菌能够定殖于根部，最终形成由共生微生物发育成的根瘤。在这种相互作用中，根瘤菌对特定的根系分泌物表现出很强的趋化性，包括碳水化合物、酚类化合物、糖醇和有机酸与脂几丁寡糖(由根瘤菌合成)迅速聚集在一起，调控和构建根瘤菌结瘤基因的合成，这些结瘤基因调控着寄主植物受体和随后根瘤的产生[33]。而豆科植物形成根瘤的同时还能与丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi,AMF或 AM真菌)形成菌根，最终建立三位一体互惠共生体系，是微生物与植物共生的一种特殊类型。AM真菌能与80%高等植物共生，并且形成菌根共生体[34]。在协同进化过程中，增加了植物提供养分的能力，特别是那些在土壤中缓慢扩散的养分[35]，宿主植物提供真菌结构维持和生长所需的碳水化合物和脂类[5]。已经发现寄主植物根部的分泌物可以诱导刺激AM真菌孢子的萌发和菌丝生长，并非寄主植物的根部分泌物对其有抑制作用[34]。丛枝菌根真菌形成过程中，通过修饰与类黄酮和异黄酮物质新陈代谢相关基因的表达方式，改变了根部分泌类黄酮的结构、分泌量和性质[36]。趋化性似乎也能介导许多其他植物根系共生。例如，被病原体丁香假单胞菌(WPseudomonassyringae)感染的拟南芥幼苗分泌的苹果酸可以募集有益细菌——枯草芽胞杆菌(B.subtilis)，最终导致病原体的去除和感染的减轻[37]。趋化性驱动的募集也发生在海草根周围的海洋沉积物中，其中特定的氨基酸，例如丝氨酸、苏氨酸和甘氨酸等促进共生微生物在根部的定殖[38]。

3.3 微生物群落中的共生趋化作用

尽管迄今发现的绝大多数微生物共生体与真核生物有关，但越来越多的证据表明，原核生物之间的共生相互作用也很普遍[39]。聚集的微生物可以从代谢耦合中获益，而运动和趋化性的使用可以克服由于双方体型较小而造成的流速限制以及化学扩散距离短的问题。趋化性常常在许多生境中介导微生物群落的建立和维持。例如，丝状固氮蓝细菌鱼腥藻(Anabaenaspp.)会在其异形胞(固氮的厚壁细胞)的接合处分泌特定的信号分子，选择性地吸引假单胞菌(Pseudomonasspp.)，从而提高固氮率[40]。硫酸盐还原脱硫菌(Desulfonemaspp.)是另一种生活在富硫化物沉积物界面的丝状细菌类群，它利用滑动运动在覆盖着硫普罗卡菌(Thioplocaspp.)的黏液鞘上定殖，从而使这些微生物之间实现硫酸盐的完全还原和再氧化[40]。这些微生物之间共生的例子支持运动和趋化性的重要作用。

3.4 原生生物——细菌共生体系

宿主的运动可大大降低与共生微生物初始相互作用时的趋化性。当宿主足够小以至于其化学信号在微生物尺度上以全方位的方式传播，但又足够大以至于其运动能力大大超过其共生微生物时，就会出现这种情况。例如，高游动速度(每秒约1 mm)将大大扭曲小原生生物释放的溶质梯度(直径约0.1 mm)[41]。由于宿主体积小，这样的速度也表明共生微生物只有非常短的时间迁移到宿主表面。相比之下，对于移动速度比共生微生物慢的此类小型宿主，趋化性仍然可以调节共生微生物的募集。例如，变形虫通过趋化性募集两种伯克霍尔德氏(Burkholderiaspp.)菌株，潜在地使用富含脯氨酸的肽作为信号分子[41]，随后，这些细菌帮助它们的宿主寻找其他微生物。

原生生物和细菌的相互作用几乎发生在每个生态系统中，其中以木材为食的白蚁肠道中进行的共生相互作用最典型。在这种环境中，一些原生生物完全被来自螺旋菌门(Spirochaetes)和互养菌门(Synergistetes phyla)的数千种细菌共生体所附着，推动着原本不运动的原生生物，使它们能够在高度结构化的白蚁肠道中穿行，并通过吸收纤维素降解产物的方式来维持生长[42]。其他外共生微生物并不直接参与原生动物的运动，而是作为趋化传感器发挥作用，使它们的宿主能够引导其游向特定的化合物(如乙酸钠)。在这种情况下，通常附着原生生物整个表面的细菌共生体对宿主的运动没有作用，但当它们被抗生素去除后，宿主也就丧失了利用化学梯度的能力[43]。

4 定殖宿主器官的趋化作用

宿主比它们的共生微生物大几个数量级时，它们可以通过主动抽水、进食或游动等机制，在最初与共生微生物的接触中发挥更积极的作用。这些宿主的行为通常会抑制共生微生物的运动，会显著消除共生微生物趋化性的效用。即使在这些情况下，共生微生物的趋化行为在其接近宿主后也是有效的。当共生微生物离宿主表面几百微米以内时，由于相对流体运动的减少，共生微生物的运动变得有效，这种情况也有例外，如珊瑚可通过纤毛直接在其表面附近产生强大的流体运动[44]。这为共生微生物提供了利用趋化性靶向宿主表面特定区域或孔隙的机会。

在大型宿主与其共生微生物初次相遇后，共生微生物会选择进入更小的生境，在宿主体内迁移并到达要定殖的器官[26]。内部迁移的特点是具有高度选择性，宿主内部会逐级检查和排除非特异性共生微生物以及抑制其活性[26]。具有引导趋化共生梯度的内部长通道提供了一个可以选择共生微生物，并将它们引导到正确位置(例如角苔黏液腔或乌贼管腔)的屏障。运动且具有趋化性的共生微生物将通过1 mm长的通道，其速率比运动但非趋化微生物高10倍，比非运动微生物高20 000倍，选择性随着通道长度的增加而增加(对于10 mm通道，趋化性运动微生物的富集是非趋化性运动微生物的55倍)[45]。再加上宿主的额外消除机制，表明共生微生物趋化性可以大大提高大型宿主的选择性。

费氏弧菌(A.fischeri)和夏威夷短尾乌贼(Euprymnascolopes)之间的共生关系是一个很典型的共生模式，其中宿主利用腹侧细菌产生的光作为夜间觅食时抵御捕食者的伪装[46]。乌贼幼体孵化后的几个小时内，通过特殊附肢上的纤毛将细菌扫入乌贼的光器官附近并积聚在宿主分泌的黏液中。黏液基质内的费氏弧菌通过趋化作用沿着几丁质梯度穿过导管和前庭，主动向光器官的孔隙迁移，最终到达光器官的隐窝[46]。与伯克霍尔德氏菌(Burkholderiaspp.)相似，费氏弧菌也可以螺旋游动，并可能在内部迁移过程中使用这种形式的运动[19]。 成功定殖于隐窝后，费氏弧菌失去运动性，乌贼特殊附属物纤毛发生细胞凋亡，共生细菌的募集停止[19，46]。这些共生菌群由具有运动性和趋化性的细菌组成，包括玫瑰杆菌属(Roseobacter)、假单胞菌属(Pseudoalteromonas)、弧菌属(Vibrio)和舍瓦内拉属(Shewanella)[47]。这表明在许多海洋共生生物体内可能存在与费氏弧菌通过趋化性定殖宿主内部器官相似的共生机制。

在陆地环境中，植物最常见的共生蓝藻细菌是固氮念珠蓝细菌(Nostocspp.)[48]。这些念珠蓝藻细菌通常不运动，它们的宿主植物分泌激素诱导因子，刺激共生体产生细胞表面特殊附属物，使细菌能够滑向和趋化于植物表面的特定进入点，包括根、茎、叶或芽。随后，宿主植物产生的化学信号内在的诱导念珠蓝细菌进入共生腔并抑制激素诱导因子的形成，致使运动停止，使其分化为固氮共生体[49]。

5 展 望

宿主与共生微生物相互作用现象已经普遍存在于各个生态系统中，并发挥着不可取代的作用。虽然有少数例子表明，微生物趋化性和运动性不是从环境中募集共生微生物的唯一机制，但是有众多案例表明，许多从环境中募集的共生微生物都是利用运动性和趋化性来定殖宿主的。考虑到宿主的大小、形态以及栖息地的生物物理性质后，许多宿主可以利用微生物的趋化特点从外部环境中募集到互利共生微生物。随着共生体系的普遍性和生态重要性的不断发展，研究共生微生物的获得将为更好地理解和控制重要共生体系建立的因素提供参考，宿主如何从环境中募集共生微生物的机制值得进行更深入的研究与验证。