信号代谢物在土壤微生物组中对多物种互利共生进行空间组织

一种独立于植物的固氮途径存在于沙漠表土中，其通过异养固氮微生物与蓝细菌Microcoleus vaginatus之间“以碳换氮”的互利共生实现。在光养生物受氮限制、异养生物受碳限制的条件下，这些伙伴在一个多样化的土壤微生物组中聚集。我们提出假设，细胞外化学信号可能促成共生伙伴的选择与共定位，尽管塑造微生物间空间结构的信息分子此前尚不清楚。 我们表明，M. vaginatus胞外代谢组的复杂化学组成取决于其氮限制状态，因此可能向互利共生伙伴提供信息。在趋化实验中，该胞外代谢组能够有效排斥大多数本土土壤细菌，而在氮限制条件下这种排斥作用尤为强烈。能够规避这种排斥的细菌组装体富集了土壤微生物组中较为稀有的物种，并且这些物种在功能上类似于互利性的蓝细菌际群落（表现出较高的N2固定潜力、尿素分泌能力和富营养型特征），从而为形成有效共生奠定基础。 此外，使用N-乙酰谷氨酸、N-乙酰蛋氨酸、吲哚-3-乙酸和5'-甲硫腺苷的混合物——这些化合物均由M. vaginatus在氮限制条件下优先释放——我们能够重现对富营养型微生物和固氮微生物的富集。然而，这些信号分子并未导致尿素生产者的富集。研究结果表明，特定信息化学物质介导的跨物种通讯，连同M. vaginatus中已有报道的类似群体感应的种内通讯，共同作为一种工具，在开放且拥挤的背景环境中对微生物组进行空间组织，并实现互利共生伙伴的特异性选择。

一种独立于植物的固氮途径发生于荒漠表土中，其机制是异养固氮微生物与蓝细菌Microcoleus vaginatus之间形成的“以碳换氮”（C-for-N）互利共生关系。在这种关系中，当光养生物受到氮限制而异养生物受到碳限制时，这些伙伴在多样化的土壤微生物组环境中聚集在一起。我们假设，细胞外化学信号传导可能促成共生伙伴的选择与共位，但塑造微生物间空间结构的信息分子此前尚不明确。

我们表明，M. vaginatus胞外代谢组的复杂化学组成取决于其氮限制状态，因此可能为互利共生伙伴提供信息。在趋化实验中，该胞外代谢组能够有效排斥大多数本地土壤细菌，且在氮限制条件下这种排斥作用尤为强烈。能够规避这种排斥作用的细菌群落富集了在土壤微生物组中较为稀有的物种，这些物种在功能上类似于互利共生的蓝细菌际微生物群落（表现出较高的N2固定潜力、尿素分泌能力和富营养型特征），从而为有效共生关系的建立奠定基础。

此外，我们利用N-乙酰谷氨酸、N-乙酰蛋氨酸、吲哚-3-乙酸和5'-甲硫腺苷的混合物，重现了富营养型细菌和固氮菌的富集现象；而这些化合物均为M. vaginatus在氮限制条件下优先释放的物质。然而，这些信号分子并未导致尿素生产者的富集。

研究结果表明，种间通过特定信息化学物质进行的通讯，与M. vaginatus中已知的类似群体感应的种内通讯共同作用，能够作为一种工具，在开放且拥挤的背景环境中组织微生物组的空间结构，并实现互利共生伙伴的特异性选择。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.10.737802v1?rss=1

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