真菌菌丝体对外部刺激的电信号响应检测：揭示真菌电生理通讯的新方法

为解决真菌电生理信号检测缺乏标准化方法的问题，研究人员开发了基于印刷电路板（FPC）和法拉第笼的系统，结合短时傅里叶变换（STFT）分析，成功记录了 Fusarium oxysporum 菌丝体的细胞外电压波动（频率1.5-8 Hz），并验证了信号的生物起源。该研究为探索真菌菌丝网络的电信号传导机制提供了可靠技术平台，对理解微生物环境适应性与跨物种电信号演化具有重要意义。

　　

在生物界中，电信号作为一种关键的细胞间通讯机制，广泛存在于动物、植物和微生物中。从伽伐尼发现的“动物电”到达尔文观察到的捕蝇草动作电位，电信号的研究跨越了数个世纪。近年来，细菌生物膜中的电信号通讯现象也被揭示，表明这种机制在微生物世界中可能具有普遍性。然而，在真菌领域，尤其是丝状真菌的菌丝网络研究中，电信号的检测与验证一直面临重大挑战。尽管早期研究使用针状电极在真菌子实体中记录到动作电位样信号，但这些实验往往缺乏标准化方法，且容易受到环境噪声和人为干扰的影响，导致结果的可靠性和生物学意义存疑。

丝状真菌的菌丝网络是一个高度动态的系统，通过菌丝尖端生长、分支和融合（ anastomosis ）形成复杂结构。在高等真菌（ Dikarya ）中，菌丝被隔膜（ septa ）分隔，但细胞膜的连续性仍为电信号传递提供了潜在途径。此外，细胞壁成分可能像神经髓鞘一样起到绝缘作用，进一步支持电信号在菌丝中的传播。然而，由于缺乏可靠的技术手段，菌丝网络中电信号的起源、特性和功能一直未被充分阐明。这不仅限制了我们对真菌生物学的基本理解，也阻碍了其在生物技术、医学和生态学中的应用探索。

为了解决这一问题，由 Matteo Buffi、Silvia Giangaspero 和 Pilar Junier 等研究人员在《 iScience 》上发表了一项开创性研究，开发了一种新型实验系统——真菌电位卡（ Fungal Potential Card, FPC ），用于检测丝状真菌菌丝体在响应外部刺激时产生的电信号。通过结合印刷电路板技术、法拉第屏蔽和先进信号分析方法，该研究首次实现了对真菌细胞外电压波动的标准化、低噪声记录，并验证了这些信号的生物起源。这一成果不仅为真菌电生理学研究提供了 robust 的技术平台，也为理解菌丝网络的通讯机制开辟了新方向。

研究采用了多学科交叉的技术方法，主要包括：1）设计并优化了嵌入式差分电极的印刷电路板（ FPC ），用于非侵入式记录菌丝电压波动；2）使用法拉第笼屏蔽环境噪声，确保微伏级信号的准确性；3）应用短时傅里叶变换（ STFT ）将时域电压信号转换为频域谱图，提取特征频率模式；4）通过功率谱密度（ PSD ）分析量化信号强度变化；5）利用多种抗菌剂（如 cycloheximide 、 voriconazole ）进行诱导实验，验证信号的生物相关性；6）以 Fusarium oxysporum （尖孢镰刀菌）为模型 organism ，因其快速生长和土壤普遍性。

实验结果

开发用于记录丝状真菌电信号的实验系统

研究人员设计了真菌电位卡（ FPC ），这是一种印刷电路板（ PCB ），嵌有多对差分电极，用于测量生长菌丝体的细胞外电压变化。通过优化电极尺寸（最终选定 2 mm 直径），并配合开放式液滴接种系统，确保菌丝能够稳定连接电极对。系统置于定制培养箱中，维持高湿度环境，并通过法拉第笼有效抑制了外部电磁干扰，实现了高质量信号采集。

实验系统的验证

以 Fusarium oxysporum 为模型，验证了电极的生物相容性和菌丝 colonization 的一致性。通过生长实验确认，2 mm 电极在间距 1 cm 时能实现稳定连接，而更小或更大尺寸均导致 colonization 失败。该设计为后续电信号记录提供了可靠基础。

数据解释方法的开发

由于法拉第笼屏蔽无法直接观察菌丝密度，研究采用短时傅里叶变换（ STFT ）将原始电压信号转换为时频谱图，从而识别随时间演变的频率模式。结果显示，接种后第 4 天起，电极对中出现了高于 1.5 Hz 的特征频率信号（对照组仅低于 1 Hz 的背景噪声）。功率谱密度（ PSD ）分析表明，接种电极的信号强度比未接种对照显著增加 1,604%（ p < 0.001 ），证实了菌丝生长与电信号的相关性。

电信号生物起源的评估

通过添加不同作用机制的抗菌剂，进一步验证信号的生物起源：

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  Cycloheximide （蛋白质合成抑制剂）显著抑制孢子萌发和菌丝生长，并导致电信号频率内容降至最低（ PSD 减少 74.21% ）；

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  Voriconazole （麦角固醇合成抑制剂）虽未显着抑制生长，但引起信号短暂波动和菌丝分支增加；

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  Calcimycin （钙离子载体）因溶剂 DMSO 与电极相互作用，结果难以解析；

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  Sodium azide （ ATP 合成抑制剂）导致信号短暂抑制后恢复。

  这些结果表明，电信号与菌丝生理活动密切相关，且对细胞代谢干扰敏感。

讨论与结论

本研究通过创新技术平台和分析方法，首次实现了对丝状真菌菌丝体电信号的标准化检测和验证。所开发的 FPC 系统克服了以往研究中的关键缺陷，如环境噪声干扰和缺乏生物学验证，为真菌电生理学研究提供了可靠工具。频率分析显示， Fusarium oxysporum 菌丝产生的电信号集中在 1.5–8 Hz 范围，与动物心脏或植物快速运动电信号频段相似，提示其可能参与菌丝网络的快速环境适应和资源整合。

研究的局限性主要在于分子机制尚未完全解析。例如，钙离子（ Ca²⁺ ）和钾离子（ K⁺ ）通道的可能作用需进一步探讨，而 Calcimycin 实验因溶剂问题未能明确结论。未来研究可通过电压敏感染料、基因敲除或离子通道抑制剂深化机制探索。

总之，该研究不仅证实了真菌菌丝网络中电信号的生物起源，也为理解微生物通讯、环境适应性和跨物种电信号演化提供了新视角。技术方法的普适性可扩展至其他真菌或微生物系统，推动微生物电生理学领域的快速发展。