真菌介导的细菌存活与迁移过程促进了木材中木质素的降解

《Applied and Environmental Microbiology》：Fungus-mediated bacterial survival and migration enhance wood lignin degradation

细菌与真菌协同降解木材的机制研究：白腐真菌Trametes versicolor与香草酸利用细菌的共生关系表明，细菌通过真菌菌丝迁移并长期存活于木质环境，同时代谢葡萄糖和香草酸，缓解真菌碳分解物 repression，促进漆酶等木质素降解酶活性，显著提高木材降解效率。

　　在自然生态系统中，木质材料的分解是一个复杂且重要的生物化学过程，它不仅影响森林的物质循环，还对碳循环和营养物质的释放起着关键作用。近年来，研究者们逐渐认识到，除了真菌外，细菌在这一过程中也扮演着不可或缺的角色。白腐真菌以其强大的木质素降解能力著称，而某些细菌则擅长分解木质素降解过程中产生的低分子量芳香化合物，如香草酸。这种真菌与细菌之间的协同作用可能对提高木质材料的降解效率和促进木质素分解具有重要意义。然而，具体的机制和相互作用方式尚不明确。本文通过实验研究，探讨了香草酸利用细菌与白腐真菌 *Trametes versicolor* 在固态木质材料环境中的共存及其对木质素降解的促进作用，揭示了它们之间复杂的生态关系和代谢协作。

### 微生物群落的结构与功能

研究首先对腐烂木材中的微生物群落进行了分析，利用高通量测序技术对16S rRNA基因（V3–V4区域）和真菌ITS区域进行测序，以确定其中的细菌和真菌组成。结果显示，腐烂木材中的细菌群落主要由变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、浮霉菌门（Planctomycetes）和酸杆菌门（Acidobacteria）组成，其中变形菌门占主导地位，特别是黄单胞菌科（Xanthomonadaceae）是最丰富的菌科。同时，真菌群落几乎完全由 *Trametes versicolor* 构成，表明该真菌在腐烂木材中具有显著的生态优势。这一结果为后续研究提供了基础，说明 *T. versicolor* 在木质材料中不仅占据主导地位，还可能为其他微生物提供生存环境。

### 香草酸利用细菌的分离与筛选

研究人员从被 *T. versicolor* 定殖的腐烂木材中分离出了17株能够利用香草酸作为唯一碳源的细菌。这些细菌在M9琼脂平板上能够生长，并且在液态M9培养基中表现出较高的OD600值和香草酸消耗能力。通过BLAST分析，这些细菌被鉴定为属于 *Pandoraea*、*Burkholderia* 和 *Pectobacterium* 等属。其中，四株菌株（TN34、TN50、TN56和TN59）被选为后续实验的重点研究对象。值得注意的是，这些菌株在与 *T. versicolor* 的共培养中并未表现出对真菌菌丝生长的抑制或促进作用，这表明它们之间可能存在某种中性或协同关系。

### 木质分解的增强效应

为了评估香草酸利用细菌对 *T. versicolor* 木质分解的影响，研究者测量了木质粉末的重量损失和木质素降解程度。结果显示，与 *T. versicolor* 单独培养相比，与TN50、TN56和TN59共培养后，木质粉末的重量损失和木质素降解程度在多个时间点均显著增加。特别是TN34和TN50的共培养表现出更明显的木质降解增强效果。这一现象可能源于细菌和真菌之间互补的代谢活动，即真菌负责分解木质素，而细菌则代谢木质素降解过程中产生的芳香化合物，从而避免了反馈抑制，提高了碳流效率。此外，研究还发现，共培养条件下，木质粉末中的葡萄糖浓度和香草酸水平均低于真菌单培养，这可能意味着细菌对这些物质的吸收和利用，从而间接促进了真菌的木质素降解能力。

### 真菌对细菌存活的促进作用

在固态木质环境中，细菌的存活和扩散面临诸多挑战，包括营养匮乏、结构复杂以及水分限制。研究发现，当香草酸利用细菌单独培养时，其在木质粉末或木质块中的存活时间通常不超过几天，表明木质材料本身对细菌的生存极为不利。然而，当与 *T. versicolor* 共培养时，某些菌株（如TN34、TN50和TN56）能够在木质材料中存活超过30天，甚至60天，显示出真菌对细菌存活的显著促进作用。这一结果支持了“真菌高速公路”模型，即真菌菌丝可能为细菌提供营养和物理结构上的支持，使其能够克服木质材料的不利环境并长期存活。此外，研究还发现，某些非香草酸利用细菌（如 *E. coli* NBRC 3972）在与 *T. versicolor* 共培养时无法存活，这表明真菌对细菌的促进作用具有一定的特异性。

### 细菌沿真菌菌丝的迁移机制

为了进一步探究细菌在木质材料中的迁移方式，研究采用了双室木块实验，通过观察菌丝的扩展和细菌DNA的检测来验证迁移过程。结果显示，当 *T. versicolor* 菌丝侵入木块的另一侧后，细菌DNA和活性细胞才出现在该侧，表明菌丝在细菌迁移中起到了桥梁作用。此外，研究还发现，在木质粉末培养基中，细菌的运动能力明显增强，而在琼脂培养基（如PDA）中则受到限制，这可能与木质材料的表面疏水性有关。真菌菌丝的疏水特性可能减少了水膜的形成，为细菌的迁移创造了有利条件。这一发现不仅加深了我们对真菌和细菌在木质环境中共存机制的理解，也为在其他复杂结构的环境中研究微生物相互作用提供了新的视角。

### 木质素降解的协同机制

研究还探讨了细菌对 *T. versicolor* 木质素降解的促进作用。通过检测共培养条件下的木质素降解率和漆酶活性，发现共培养显著提高了木质素降解效率。这一现象可能与细菌对香草酸等木质素降解产物的代谢有关。香草酸作为木质素降解的中间产物，其积累可能抑制真菌的木质素降解能力。然而，在共培养条件下，香草酸的浓度显著降低，表明细菌对香草酸的吸收和利用可能减轻了真菌的碳代谢抑制，从而促进了漆酶等木质素降解酶的表达。此外，葡萄糖的浓度在共培养条件下也低于真菌单培养，这可能是因为细菌对葡萄糖的吸收降低了其对真菌的代谢抑制作用，进而促进了木质素降解过程。

### 细菌与真菌之间的代谢合作

研究进一步揭示了细菌与真菌之间可能存在的代谢合作。香草酸作为木质素降解的中间产物，其在共培养条件下的浓度显著低于真菌单培养，这可能意味着细菌对香草酸的代谢作用，从而减轻了真菌的碳代谢抑制。同时，葡萄糖的浓度也有所下降，这可能是因为细菌对葡萄糖的利用减少了其对真菌木质素降解酶表达的抑制。这一现象支持了“碳代谢抑制”（carbon catabolite repression, CCR）理论，即高浓度的葡萄糖会抑制真菌对木质素降解相关基因的表达。因此，细菌的代谢活动可能间接促进了真菌的木质素降解能力，形成了一种互利的代谢协作。

### 真菌对细菌生存的生态意义

研究还强调了真菌在木质材料中对细菌生存的重要作用。木质材料的高碳氮比和疏水性使得细菌难以长期存活，而真菌的存在可能通过提供营养和改善环境条件来促进细菌的生存。例如，真菌的降解活动可能改变了木质材料的pH值、湿度和结构，从而为细菌提供了更适宜的生存环境。此外，真菌菌丝可能为细菌提供了物理庇护，使其能够避免木质材料中的不利因素。这一发现不仅加深了我们对木质分解过程中微生物相互作用的理解，也为在其他复杂环境中研究微生物共生提供了新的思路。

### 实验方法与数据分析

为了确保研究结果的准确性，研究采用了多种实验方法，包括微生物群落分析、共培养实验、迁移实验以及代谢产物的定量分析。微生物群落分析通过高通量测序技术确定了腐烂木材中的细菌和真菌组成，而共培养实验则用于评估细菌对真菌木质素降解能力的影响。迁移实验采用双室木块模型，通过观察菌丝的扩展和细菌DNA的检测来验证细菌的迁移能力。代谢产物的定量分析则通过高效液相色谱（HPLC）和气相色谱-质谱联用技术（GC/MS）进行，以测定香草酸和葡萄糖的浓度变化。这些方法的结合为研究细菌与真菌之间的相互作用提供了可靠的实验依据。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究取得了一定的成果，但仍然存在一些局限性。首先，由于细菌在木质材料中的丰度较低，无法直接观察到细菌与真菌菌丝之间的物理相互作用。因此，未来的研究可以采用荧光标记技术来实时追踪细菌在木质材料中的迁移和生存情况。其次，本研究主要关注单一菌株与 *T. versicolor* 的相互作用，而自然环境中的木质材料通常包含多种微生物，这些微生物之间的相互作用可能更为复杂。因此，未来的研究可以扩展到多菌种系统，以更全面地理解真菌与细菌在木质分解中的协同机制。

### 结论与生态意义

本研究首次实验性地证明了香草酸利用细菌能够通过真菌菌丝在木质材料中扩散，长期存活，并协同增强木质材料的分解和木质素降解能力。这些发现不仅加深了我们对木质分解过程中微生物相互作用的理解，还为生物技术应用提供了新的思路。例如，在生物精炼和生物质转化领域，通过调控细菌与真菌的共存关系，可以提高木质素的降解效率，从而促进生物质资源的高效利用。此外，本研究还揭示了真菌在木质材料中对细菌的促进作用，这不仅体现在代谢层面，还体现在物理结构和环境条件的改善上。这一发现具有重要的生态意义，表明真菌和细菌在木质分解过程中可能形成一种结构化的代谢合作网络，从而加速木质材料的分解过程。