中国农大新闻网讯 近日，土地科学与技术学院王钢教授课题组，即土壤与水生态系统生物物理研究组（Soil and Water Ecosystems Biophysics，简称SWEB），在环境微观水动力学调控微生物群落结构与生态特征这一多学科交叉研究领域取得新进展；相关研究结果以“蒸发诱导的水动力学控制微生物在表面生长过程中的质粒转移”（ Evaporation-induced hydrodynamics control plasmid transfer during surface-associated microbial growth ）为题，8月22日在线发表于《自然》子刊《npj生物膜和微生物群落》（npj Biofilms and Microbiomes）（DOI: 10.1038/s41522-023-00428-x）。

该研究是王钢教授课题组继在《细胞》子刊《当代生物学》（Current Biology）（2022，DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.009）和《自然》子刊《国际微生物生态学通讯》（ISME Communications）（2021，DOI: 10.1038/s43705-021-00057-5）等期刊发表微观水动力学调控微生物群落空间互作模式研究成果之后取得的又一项关键研究进展。相关研究发现对系统解析微生物微观界面互作机制、复杂功能群落的形成与演变模式以及潜在的微生物工程应用提供重要理论基础和实践参考。

图1  研究结果在线发表截图

微生物的界面生长模式（如生物膜、菌落、生物聚集体等）在自然和人为环境中无处不在，并在生态系统中发挥着至关重要的功能。微生物细胞（主动或被动）在界面沉积，随后生长发育成复杂的群落，即生物膜。细胞的初始沉积决定了微生物群落的发展方向，其原因是不同的沉积模式会导致初始的微生物空间分布，从而改变微生物之间的相互作用。了解微生物细胞沉积过程和后续生长与互作动态以及关键调控因子与作用机制是系统解析界面微生物生态的核心，也是通过微生物工程利用和优化微生物生态的科学基础，因而是微生物学前沿领域的研究挑战之一。

液滴蒸发过程在环境中广泛发生且无处不在。伴随液滴蒸发过程的微观水动力学，往往能够左右液滴中微纳米颗粒（例如细菌）的沉积形态，进而影响携带功能基因的供体细菌与潜在受体细菌之间的接触模式，然而相关作用机理仍然属于未解科学之谜。基于此，中国农业大学王钢课题组联合瑞士联邦水科学与技术研究所David R. Johnson研究团队，通过构建原位微观实验体系、系统观测和量化了液滴蒸发过程伴随的微观流体动力学（图1，咖啡环效应和马兰戈尼对流）如何调节细菌的初始沉积形态，进而在细菌群落生长过程中调控抗生素抗性基因的传播及群落结构。研究发现由咖啡环效应主导的细胞沉积，能够让细菌群落中的供体细菌和受体细菌在拓殖过程中拥有更多的接触概率，进而发生更多的抗性基因质粒转移（图2）。这一研究结果表明，自然界中常见的液滴蒸发过程伴随的微观流体动力学可以有效改变界面微生物群落生态特性（如由咖啡环效应主导的细胞沉积通过改变液滴外围的局部细胞密度来增加质粒的转移），从而对细菌的功能基因（如抗生素耐药性或其他质粒编码性状）的传播产生关键影响。在此基础上，研究团队利用基于个体的计算机模型解析了咖啡环效应和马兰戈尼对流过程的微观水动力学强度对初始细胞沉积的调控理论，以及其对界面细菌菌落生长过程中功能基因质粒转移的作用机制与关联模式。

图 2   不同蒸发诱导流体力学条件对细菌空间位置的影响。
（A）咖啡环效应（CRE）由沿界面液气界面（接触线）的优先蒸发引起，导致毛细管流向接触线，并在液滴外围积聚细胞；（B）马兰戈尼对流（MC）由温度梯度或表面活性剂引起，在液滴内部形成环形漩涡，使细胞重新分布，形成相对均匀的细胞沉积。

图3  在不同的蒸发诱导流体力学条件下，细胞沉积后界面后微生物生长过程中的质粒转移。
（A）左图咖啡环效应和右图马兰戈尼对流主导下的细胞沉积，图中左半球为实验观测，右半球为模拟结果。供体菌株为青色，受体菌株为红色，发生水平基因转移的区域为品红色；（B）为图A的局部放大图，图中纯蓝色区域（边界处）为发生水平基因转移的区域。

中国农业大学为论文第一完成单位，王钢教授课题组阮楚晋博士后为第一作者，王钢教授为论文共同通讯作者。相关研究得到中国农业大学2115人才培育发展支持计划（1191-00109012）、国家重点研发计划（2022YFD5002005）、国家自然科学基金（42277298），以及瑞士自然科学基金 （P500PN_202842，P2EZP3_199849）的支持。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41522-023-00428-x

本文链接：http://news.cau.edu.cn/kxyj/381293474e824104b19931ac9ec788d6.htm