解构解淀粉芽孢杆菌生物膜形态发生与力学特性：粗糙型与光滑型表型的比较研究

本研究针对解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）生物膜形成机制不清的问题，通过比较粗糙型（R）与光滑型（S）表型的菌落扩张动力学、pellicle（气液界面生物膜）形态发生及力学特性，首次将B. subtilis的pellicle形成模型拓展至B. amyloliquefaciens，发现R型形成高刚性异质pellicle而S型呈现弹性均质响应，为农业应用和生物膜力学研究提供新见解。

　　

在微生物世界中，解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）因其卓越的环境适应性和生物膜形成能力，成为农业生物防治和土壤改良的明星菌种。然而，这种革兰氏阳性、产芽孢的细菌在生物膜形成机制上仍存在诸多谜团——尤其是其漂浮在气液界面的特殊生物膜pellicle，其形态发生过程与力学特性尚未被系统解析。更引人注目的是，同一菌株竟能分化出粗糙型（Rough, R）和光滑型（Smooth, S）两种截然不同的表型，这为探索细菌表型可塑性提供了绝佳模型。

针对这一科学空白，来自法国图卢兹大学农业与环境生物技术实验室的研究团队在《Current Research in Microbial Sciences》发表了一项开创性研究。他们以野生型菌株L-17为对象，首次揭示了B. amyloliquefaciens pellicle的动态形成过程及其力学特性，并发现两种表型在菌落扩张、生物膜结构及机械响应上存在显著差异。这项研究不仅填补了该菌种生物膜研究的空白，更通过比较两种表型的特性，为理解细菌环境适应策略提供了新视角。

研究团队采用了四项关键技术：菌落形态学分析（通过0.3%-1.5%琼脂浓度梯度评估运动性）、pellicle动态成像系统（15分钟/帧的延时摄影记录4天形态发生）、定制拉伸装置（双悬臂力传感器测量毫牛顿级力学响应）以及粒子图像测速技术（PIV分析局部变形场）。这些方法的组合实现了从宏观形态到微观力学的多尺度解析。

菌落形态与扩张动力学
在葡萄糖强化最低培养基（GMM）琼脂上，R型菌落表现出快速扩张（24小时直径13.0±0.8 mm）、干燥不规则的特征，而S型菌落扩张较慢（7.5±0.2 mm）但呈现湿润均质的圆形。低浓度琼脂（0.3%-0.6%）实验显示，R型早期扩张更快但后期被S型超越，暗示二者运动策略差异：R型依赖早期表面活性剂（如surfactin）爆发式分泌，而S型采取持续缓慢的扩张模式。值得注意的是，S型在液体培养基中游泳速度（1.7±0.1 mm/h）竟超过文献报道的多数B. amyloliquefaciens菌株。

Pellicle形态发生
延时摄影首次捕捉到B. amyloliquefaciens pellicle形成的四阶段模型（附着-转化-生长-成熟）：R型仅需18小时完成表面覆盖，形成均质白色皱纹pellicle；S型则耗时41小时，通过微菌落融合形成异质结构。特别有趣的是，R型pellicle皱纹呈现规律间距（2.0±0.4 mm），符合材料科学中的弹性屈曲理论；而S型皱纹则杂乱无章，暗示其力学响应的特殊性。

力学特性突破发现
拉伸实验揭示了令人意外的表型反转现象：看似均质的R型pellicle实际由刚度悬殊的区域拼凑而成（中心区刚度5.1±0.6 N/m，边缘区更软），而外观异质的S型却表现出整体均质弹性（刚度0.51±0.04 N/m）。更惊人的是，S型pellicle能承受40%拉伸形变，且存在-1.2 mN的残余压应力（生长受限导致），而R型几乎无初始应力且易在连接处断裂。这些发现颠覆了"形态均质性等同于力学均一性"的传统认知。

结论与展望
该研究首次证实B. subtilis的pellicle形成模型可适用于B. amyloliquefaciens，但需针对S型调整时间参数。两种表型的对比揭示：R型通过快速分泌表面活性剂实现刚性生物膜构建，适合快速定殖；S型则通过持续运动形成弹性网络，可能利于长期环境适应。这种"速攻型"与"持久型"的策略分化，为设计农业用菌剂提供了理论依据——例如R型可能更适合快速形成土壤保护层，而S型可能更适应持续释放养分。

研究提出的表面活性剂（surfactin）与鞭毛（flagella）表达差异假说，为后续分子机制研究指明方向。通过结合转录组学（如epsA-O、tasA、bslA基因簇分析）和原子力显微镜等纳米力学技术，未来可深入解析EPS组分如何调控生物膜力学。这项来自法国团队的创新工作，不仅为微生物力学这一交叉学科树立了新标杆，更为农业微生物制剂的理性设计提供了前所未有的科学基础。