模拟热浪对盘基网柄菌细胞命运和适应性的影响：单细胞阶段受冲击的生态与进化启示

《Microbial Ecology》：Simulated Heat Waves Affect Cell Fate and Fitness in the Social Amoeba Dictyostelium discoideum

为探究热浪对细胞群体发育及生物适应性的影响，研究人员以盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）为模型开展研究。结果发现，热浪会损害其早期发育基因表达，影响细胞命运和适应性。该研究为理解生物应对环境变化提供了重要依据。

　　在全球气候变暖的大背景下，热浪频繁来袭，对生物产生了深远影响。以往研究大多聚焦于热浪在生物个体和种群层面的作用，然而对于其如何影响细胞群体发育以及由此产生的生物适应性变化，人们知之甚少。尤其是在生物早期发育阶段，缺乏亲代保护的个体更容易受到热浪干扰，而这一过程中细胞群体的通讯、分化机制以及对生物适应性的影响亟待探索。

为了填补这些知识空白，来自英国赫尔约克医学院（Hull York Medical School）、英国赫尔大学（University of Hull）和爱尔兰都柏林大学学院（University College Dublin）的研究人员，以盘基网柄菌为研究对象开展了一系列研究。盘基网柄菌是一种土壤微生物，其生命周期会在单细胞和多细胞阶段转换。该研究成果发表在《Microbial Ecology》上。

研究人员主要运用了实时定量聚合酶链反应（RT-qPCR）技术检测基因表达水平，通过报告菌株和嵌合体实验探究细胞命运和适应性。实验选用了野生型 AX2 菌株以及表达 β - 半乳糖苷酶的报告菌株 A6-Gal 和 A15-Gal，在不同温度条件下进行培养实验。

热应激对盘基网柄菌生长和发育的影响

研究人员设置了 22°C（最适温度）、27°C 和 30°C 三个温度条件培养盘基网柄菌。在液体培养实验中，22°C 时细胞在指数生长期的倍增时间为 11 小时，4 天后细胞密度可达 10.5×10⁶ cells/ml；27°C 时细胞生长严重受限，倍增时间延长至 17 小时，4 天后细胞密度仅为 3.5×10⁶ cells/ml ；30°C 时细胞不仅无法生长，2 天后细胞密度还开始下降。在固体培养基培养实验中，22°C 时菌落生长速率为 8.5mm / 天，4 天后直径可达 34 ± 9.62mm；27°C 时菌落生长速率降至 4.9mm / 天，4 天后直径为 20 ± 8.5mm；30°C 时菌落生长完全停滞。此外，研究人员还观察了不同温度下菌落产生的子实体形态和数量，发现 22°C 和 27°C 时子实体发育正常，但 27°C 时子实体数量有所减少；30°C 时子实体形成极少。综合这些结果，研究人员选择 27°C 作为后续实验的热应激温度。

热应激持续时间对盘基网柄菌发育和孢子产量的影响

将营养细胞在 27°C 下培养不同时间（1 - 5 天）后，转移至 22°C 的无营养琼脂上培养。研究发现，热应激 3 天以内，细胞发育时间与 22°C 培养的细胞相近，但会产生较小的子实体；热应激超过 3 天，细胞发育延迟明显，且只能产生少量小子实体。同时，随着热应激时间延长，孢子产量逐渐降低，22°C 时孢子比率为 0.86 ± 0.05，5 天热应激后降至 0.16 ± 0.05。

热浪对发育基因表达的影响

对营养细胞进行 27°C、3 天的模拟热浪处理后，在 22°C 同步培养并定期提取 RNA 进行 RT-qPCR 分析。结果显示，在 22°C 正常培养条件下，早期发育基因 carA、gtaC、acaA、csaA 和 tgrC1 等在发育初期表达量逐渐增加，在 20h 时降至最低，之后又有所上升；pkaR 基因在 16h 达到峰值并在整个发育过程中保持较高水平。而经过热浪处理后，carA、gtaC、acaA 和 pkaR 表达量仅有微弱增加，csaA 和 tgrC1 几乎无增加。细胞类型特异性基因中，前柄细胞基因 ecmA 和前孢子细胞基因 spiA、cotB 在正常条件下早期不表达，20h 时达到峰值，但热浪处理后，前孢子细胞基因的峰值基本消失，而前柄细胞标记基因虽有表达但水平相对较低。这表明热浪会损害早期发育基因和前孢子细胞基因的表达，对前柄细胞基因表达影响较小。

热浪对多细胞发育过程中细胞命运的影响

利用报告菌株 A6-Gal 跟踪细胞命运。当 A6-Gal 与 AX2 细胞在相同温度下培养后混合发育时，报告细胞均匀分布在嵌合子实体中。但当报告菌株细胞经受模拟热浪处理，与在最适温度下生长的 AX2 细胞混合时，子实体中几乎检测不到报告细胞；相反，在 22°C 生长的报告细胞与热应激的 AX2 细胞混合时，报告细胞优先占据子实体的孢子区域。使用 A15-Gal 报告菌株也得到了类似结果，这说明热浪处理的细胞在与最适温度下生长的细胞共同发育时处于劣势，而最适温度下生长的细胞表现得像 “作弊者”。

热浪对适应性的影响

通过定量适应性分析发现，无论是克隆培养还是混合培养，27°C 培养的 AX2 和 A6-Gal 菌株的孢子产量均显著低于 22°C 培养的菌株。在混合培养中，当不同温度培养的细胞等比例混合时，热应激细胞产生的孢子数量明显少于 22°C 培养的细胞，这表明 22°C 培养的细胞存在对热应激细胞的兼性作弊行为，且这种现象是由热应激而非菌株基因型差异导致的。

研究结论表明，热浪对盘基网柄菌的生长、发育和适应性具有显著影响。在细胞层面，热浪干扰了 cAMP 依赖的信号通路，导致早期发育基因和前孢子细胞基因表达受损，影响细胞分化和子实体形成，进而降低孢子产量。在群体层面，热浪使得热应激细胞在与正常细胞共同发育时竞争力下降，改变了细胞间的合作与竞争关系。

该研究具有重要意义。一方面，揭示了单细胞生物在面对热浪时的脆弱性，为理解生物如何应对环境变化提供了微观层面的证据；另一方面，通过对盘基网柄菌的研究，有助于推测其他具有单细胞阶段且易受环境影响的生物在气候变化下的命运，为生物进化和生态保护研究提供参考。