温度驱动的南极植物内生微生物群落生物膜发育及其在耐热性-分散性权衡中的生态意义

《Microorganisms》：Temperature-Dependent Biofilm Development in Antarctic Endophytic Microbial Communities Olga Iungin, Geert Potters, Oleksandr Kalinichenko, Yevheniia Prekrasna-Kviatkovska, Olena Moshynets, Oleksandr Kazakov-Kravchenko, Marina Sidorenko, Olena Okhmat and Saulius Mickevi?ius

本研究揭示了南极两种维管植物（Deschampsia antarctica 和 Colobanthus quitensis）内生微生物群落在温度梯度下的生物膜发育规律。研究发现，中等升温（15–25 °C）可优化浮游生长，而极端热胁迫（37–42 °C）则触发群落向富含胞外DNA和纤维素的基质丰富型生物膜转变。这一“热开关”现象表明，这些微生物具备广泛的温度可塑性，暗示了其可能借助鸟类等恒温宿主进行扩散的生命史策略，对理解气候变化下南极微生物生态适应性具有重要价值。

　　

温度驱动的南极植物内生微生物群落生物膜发育

1. 引言

气候变化正重塑着南极生态系统，其中两种南极维管植物——南极发草（Deschampsia antarctica）和漆姑草（Colobanthus quitensis）的适应力，很大程度上由其内生微生物群落所介导。这些微生物是植物促生细菌，可形成多样的生物膜结构，其组装受到低温、有限水分和贫瘠土壤等强非生物驱动因素的深刻影响。非生物环境过滤器被认为是塑造南极土壤微生物群落的主要驱动力，这为我们将温度作为主要环境变量进行研究提供了依据。此外，南极植物常生长在富含海鸟粪的鸟类源土壤上，内生微生物既能在南极低温下，也能在恒温动物的体温范围（37–42 °C）下生长，暗示了其生命周期可能涉及鸟类作为中间宿主或扩散媒介。本研究旨在探究与南极维管植物相关的微生物群落生物膜的架构成分及其在广泛温度范围内的形成驱动因素。

2. 材料与方法

2.1. 模型微生物群落

研究所用细菌分离株来自2020年第24次乌克兰南极考察期间，采集自南极半岛西部的D. antarctica和C. quitensis植物内部组织。模型微生物群落（MMCs）根据分离株形成的生物膜类型构建：形成气-液-表面（ALS）界面生物膜表型的菌株被组合为一个群落，而形成液-表面（LS）界面生物膜表型的则被组合为另一个群落。群落分别在4、15、25、37和42°C的温度下，在营养肉汤（NB）和基本盐培养基（MSM）中静态孵育3天和6天，以模拟从南极典型季节性温度到恒温宿主体内的温度范围。

2.2. 生物膜分析

生物膜通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）进行成像和定量分析，重点聚焦于作为主要结构支架和粘附基质的纤维素和胞外DNA（eDNA）。利用多种荧光染料对核酸和胞外聚合物基质（纤维素）进行染色，并通过标准化CLSM体积中的荧光信号强度来量化生物量。eDNA浓度则通过分光光度法进行测定。

2.3. 统计分析

使用R软件进行统计，采用线性混合模型（LMMs）分析培养基、培养温度和培养时间对每个生物膜参数的影响。主成分分析（PCA）用于整合多种生物和非生物因素间的复杂相互作用。

3. 结果

3.1. ALS型微生物群落的生物膜生长参数与结构组分

ALS群落的发展受温度和养分可用性的显著调控，呈现非线性响应。在15至37°C之间，浮游生长（OD₆₀₀）达到峰值。然而，细胞活力（CFU）在低温基线（4°C）和15°C时最高，在42°C时急剧下降，显示出高可变性。生物膜强度和表面附着力在较温暖的条件（25–37°C）下达到峰值，但稳定性对营养环境和孵育时间高度敏感。例如，在37°C时，生物膜强度在营养丰富的NB培养基中随时间显著降低。

在基质成分方面，纤维素和eDNA表现出不同的调控模式。纤维素产量在25°C时，营养丰富的培养基与长时间孵育的组合可产生显著的协同增加。而在37°C时，相同的条件组合反而显著抑制了纤维素产生。eDNA的释放对环境胁迫敏感，在极端条件（42°C，MSM）下显著增加，但在营养丰富的条件下受到抑制。总DNA水平则在升温下保持稳定或增加，特别是在25°C的NB培养基中，孵育6天时达到峰值。PCA分析揭示了基质组分与浮游生长之间的基本权衡，在25°C最佳条件下，群落平衡了浮游生长和基质投入，而在热胁迫（42°C）下，生理特征转向降解介导的基质特征，eDNA释放高而活力低。

3.2. 生物膜特征的PCA分析

主成分分析显示，前三个主成分解释了总方差的71.0%。第一主成分定义了“基质重”的生物膜特征，在25°C最佳生长和42°C极端热胁迫下最为明显。第二主成分（PC2）将浮游丰度与基质标记物进行了对比。第三主成分（PC3）捕获了生物膜机械强度和表面附着力，其与DNA/基质轴的独立性表明，生物膜稳健性并不仅仅是基质数量的函数，其结构质量是独立于总生物量变化的。

3.3. LS型群落生物膜的结构组分

LS型群落对温度表现出不同的适应性策略。浮游生长在25°C时达到最佳，而表面附着在极端热胁迫（42°C）下达到峰值。在42°C时，LS群落表现出高光学密度但低活力的脱钩现象。对6天龄LS生物膜的分析显示，在高温（37°C和42°C）下，DNA和纤维素显著增加。在LS生物膜中，纤维素和eDNA之间存在正相关关系，表明这些组分共沉淀形成稳定的水下基质。PCA分析表明，LS群落的六个生物膜指标可由三个主成分轴概括，解释了73.8%的总方差。PC1显示了浮游生长与基质/DNA产生之间的权衡。PC2描述了生物膜内DNA库的性质，对比了总DNA含量与功能稳定性标记。PC3则强调了光学密度（OD₆₀₀）与实际细胞活力（CFU和表面附着）之间的脱钩，是环境胁迫的生物指标。

4. 讨论

4.1. 南极植物相关生物膜的温度可塑性

研究结果表明，南极植物相关内生生物膜具有显著的温度可塑性。生物膜强度和附着在37–42°C时的峰值，强烈支持了鸟类在微生物扩散中扮演的角色，即“鸟类源”因子。在37°C和42°C时纤维素产生的显著抑制，与细菌中纤维素合成酶（bcs）操纵子受温度调控的已知情况相符，表明这些细菌在过渡到恒温宿主时会转向一种更灵活、富含DNA的基质结构。这种高温“胁迫状态”进一步得到PCA（PC3）的证实，该分析揭示了在温度极端条件下，基质积累可能作为对活力下降群体的保护性响应。

4.2. ALS与LS型生物膜的比较

ALS和LS群落的差异反应反映了植物内环境中的微环境异质性。模拟气隙的ALS生物膜表现出高度的结构稳定性，以及对营养和温度的同步响应。它们对纤维素和eDNA平衡基质的依赖，可能在干燥波动的植物表面提供保护。相比之下，模拟水下环境的LS群落初始结构更脆弱，在42°C高温下，纤维素和eDNA之间的高相关性表明，水下群落优先形成“共沉淀”基质，以抵御富液体组织中的高代谢转换和潜在的冲刷风险。这些差异突显了同一微生物库会根据其定植于气隙还是水体环境，而采取不同的建筑策略。

4.3. 总体生态学意义

南极植物主导的菌群通过分泌多种分泌物改变土壤理化性质，显著影响着土壤微生物群落组成和活性。温度、营养和时间依赖性的生物膜形成响应，强调了影响微生物群落动态及其功能适应的复杂环境因素相互作用。在持续的、气候变化驱动的环境变化背景下，观察到的功能冗余和温度可塑性，可能代表了允许南极内生菌在波动条件下保持灵活性的特征，尽管其对宿主植物性能的直接影响尚需在植物体内实验中进一步验证。

5. 结论

本研究证实，南极内生微生物群落展现出显著的温度可塑性，其生物膜形成和基质投入在37–42°C的非本土地温下达到峰值。这表明这些微生物不仅是耐冷幸存者，而且在进化上适应了利用恒温生物（如海鸟）作为中间宿主或扩散载体。观察到的“热开关”特征——在较高温度下纤维素被抑制，同时eDNA补偿性释放——突显了在从环境生态位向宿主生态位过渡期间，代谢资源的巧妙重新分配。然而，我们的合成群落模型存在缺乏天然宿主组织复杂性等局限性。未来的研究应聚焦于植物体内实验，并探究这些生物膜内的水平基因转移，以进一步阐明在快速变暖的气候下南极植物-微生物组的功能弹性。