共生蓝藻的 “隐秘依赖”：与异养细菌的微妙关系大揭秘

研究人员为探究蓝藻与异养细菌关系，对比不同蓝藻菌株，发现 Nostoc sp. 在碳限制下依赖异养伙伴，揭示其生态意义。

　　在奇妙的微生物世界里，蓝藻（Cyanobacteria）与异养细菌之间的关系一直是科学家们关注的焦点。蓝藻中的念珠藻属（Nostoc）不仅能与植物形成共生关系，还在生态系统中扮演着重要角色。它们可以固定大气中的氮，为植物提供关键养分，作为回报，植物则为蓝藻提供有机碳。然而，尽管蓝藻是光自养生物，可许多实际上却是兼性异养生物，依赖生态系统中的有机碳供应。

在以往的研究中，虽然对陆生和共生念珠藻的生态学特征有了一定了解，但对于异养细菌如何调节固氮蓝藻的生理过程，仍然知之甚少。特别是共生念珠藻菌株难以作为无菌分离物维持生长，这暗示着其中存在尚未被理解的复杂依赖关系。为了深入探究这些问题，来自芬兰赫尔辛基大学、德国耶拿大学、德国波茨坦大学等多个研究机构的研究人员 Jonna E. Teikari、David A. Russo、Markus Heuser 等人开展了相关研究，研究成果发表在《npj Biofilms and Microbiomes》杂志上。

研究人员采用了多种技术方法来开展此项研究。在菌株培养与实验设置方面，选用了无菌的点状念珠藻（Nostoc punctiforme）PCC 73102，以及非无菌的念珠藻属菌株 KVJ2 和 KVJ3，在不同无机碳浓度的培养基上进行培养实验。同时，从 KVJ2 和 KVJ3 中分离出异养细菌，并与 PCC 73102 进行共培养实验。对于菌株的鉴定和分析，运用 16S rRNA 基因扩增子测序技术对微生物群落进行定性分析，采用全基因组测序来了解菌株的基因特征。在蛋白质分析层面，利用鸟枪法蛋白质组学技术，比较 PCC 73102 在有无异养细菌共培养时的蛋白质表达差异；还通过制备胞内和胞外蛋白质组，深入研究蛋白质的分布和功能。为了观察细胞结构和蛋白质定位，运用免疫荧光显微镜（IFM）和透射电子显微镜（TEM）技术，对 RubisCO（核酮糖 - 1,5 - 二磷酸羧化酶 / 加氧酶，参与碳固定的关键酶）的亚细胞定位进行观察 。

研究结果如下：

• 异养微生物群落显著增强 N. punctiforme PCC 73102 的活力：在不同无机碳浓度下培养三种念珠藻菌株，发现无菌的 PCC 73102 在低碳酸盐浓度下几乎无法生长，而携带相关微生物群落的 KVJ2 和 KVJ3 在低碳酸盐水平下却生长良好。这表明 PCC 73102 的碳浓缩机制（CCM）较弱。研究人员进一步对 CCM 相关基因进行检测，发现三种菌株都编码了完整的 ATP 依赖的碳酸氢盐摄取系统和 NAD (P) H 脱氢酶复合物，但都没有编码高度保守的碳酸氢盐转运蛋白 SbtA，仅编码了弱同源的 SbtA 样蛋白，这可能是它们在无额外无机碳供应时生长受限的原因之一。通过 16S rRNA 基因扩增子测序分析非无菌菌株的微生物群落，发现 KVJ2 和 KVJ3 主要被变形菌门（Proteobacteria）定植，且二者的微生物群落存在差异。从 KVJ3 和 KVJ2 中分离出多种异养细菌，测试它们对 PCC 73102 的生长促进作用，发现不同菌株效果各异，其中根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）Het4 对 PCC 73102 的生长促进作用显著，尤其在中等碳酸盐浓度条件下。
• 异养细菌调节 N. punctiforme PCC 73102 的生理过程：利用鸟枪法蛋白质组学比较 PCC 73102 在有无 Het4 共培养时的蛋白质表达，发现共培养时，与碳固定、CCM 相关的一些蛋白，如碳酸酐酶和碳酸氢盐转运蛋白等显著上调，支持了 Het4 为蓝藻提供 CO₂的假设。然而，固氮相关的一些蛋白，如铁钼辅因子生物合成蛋白和异形胞糖脂生物合成蛋白等却下调，同时发现了铁限制的标记蛋白黄素氧还蛋白（flavodoxin）上调，以及铁载体簇和其受体的上调，这表明 PCC 73102 和 Het4 之间存在铁竞争，这种竞争可能导致蓝藻优先利用储存的氮而非进行固氮作用。此外，共培养还导致一些应激标记蛋白积累，如冷休克蛋白家族和渗透应激标记蛋白等，但总体上 Het4 对 PCC 73102 的生长促进作用占主导。研究人员还发现，Het4 能刺激 PCC 73102 中趋化性相关蛋白和部分菌毛蛋白的上调，可能促进其在琼脂平板上的生长。
• N. punctiforme PCC 73102 在单培养和共培养中对无机碳限制的表型响应：通过免疫荧光显微镜和透射电子显微镜研究 RubisCO 的亚细胞定位，发现 PCC 73102 中 RubisCO 存在明显的细胞外定位，且在共培养时细胞外的 RubisCO 更为常见。利用 EXCRETE 方法对 PCC 73102 的细胞外蛋白质组进行分析，进一步证实了在氮和碳限制条件下，RubisCO 主要在细胞外积累。TEM 观察还发现，PCC 73102 的荚膜鞘存在结构异质性，且共培养时细胞外有更多电子致密颗粒，其中含有 RubisCO。

研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了共生菌株 N. punctiforme PCC 73102 与异养伙伴 A. tumefaciens Het4 之间的密切关系，以及 PCC 73102 在氮和碳缺乏条件下的有限自主性。PCC 73102 对异养细菌的依赖主要源于其较弱的 CCM，可能与缺乏 SbtA 基因以及 RubisCO 的胞外定位有关。这种依赖在自然环境中可能使蓝藻更依赖于异养细菌提供的呼吸 CO₂，而对自身 CCM 的依赖程度降低。此外，PCC 73102 细丝表现出明显的表型可塑性，这可能反映了种群的分工合作，对念珠藻种群的多样性和适应性具有重要意义。研究还发现，念珠藻与异养微生物群落的相互作用具有特异性，根瘤菌目在植物 - 蓝藻共生体中起重要作用，但对 PCC 73102 的影响具有菌株特异性。

总的来说，该研究为理解共生蓝藻与异养细菌之间的相互作用提供了新的视角，对于评估光养生物 - 异养生物相互作用在营养循环中的作用具有重要意义，同时也为念珠藻菌株的生物技术开发提供了理论基础。