朱曉艷 沈重陽(yáng) 陳國(guó)煒 張 偉 李保國(guó) 王 鋼?

（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083）（2 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009）

土壤中的細(xì)菌常常主動(dòng)利用自身特性進(jìn)行取食并趨向有利（或躲避有害）環(huán)境。細(xì)菌的這種趨向有利化學(xué)物質(zhì)（引誘劑，正趨化作用）、規(guī)避有害化學(xué)物質(zhì)（驅(qū)避劑，負(fù)趨化作用）的本能簡(jiǎn)稱為趨化性［1］。細(xì)菌趨化現(xiàn)象普遍存在于土壤生態(tài)系統(tǒng)中，受土壤物理、化學(xué)和生物因素的綜合影響。它調(diào)節(jié)土壤微生物多樣性及土壤養(yǎng)分的循環(huán)、轉(zhuǎn)化和分布等［2］，并在土壤污染生態(tài)防治及微生物過(guò)程修復(fù)等應(yīng)用研究中意義重大［3］。

自Pfeffer［4］發(fā)現(xiàn)細(xì)菌趨化性以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者就針對(duì)其展開了廣泛的研究，其中，土壤中細(xì)菌的趨化現(xiàn)象備受人們關(guān)注。但由于土壤本身具有難觀測(cè)性、空間異質(zhì)性和時(shí)空變化不穩(wěn)定等特性，土壤中細(xì)菌趨化性研究極具困難。近幾十年以來(lái)，熒光原位雜交技術(shù)、微流控技術(shù)和光學(xué)顯微技術(shù)的快速發(fā)展，為土壤細(xì)菌趨化性研究提供了技術(shù)支撐和光明的研究前景，極大地推動(dòng)了其研究進(jìn)程［5-7］。本文就國(guó)內(nèi)外有關(guān)土壤細(xì)菌趨化性的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和探討，并就將來(lái)進(jìn)一步的研究進(jìn)行了展望，旨在為今后的相關(guān)研究提供一定的參考。

1 細(xì)菌趨化行為模式及信號(hào)傳導(dǎo)通路

由于自然環(huán)境異質(zhì)復(fù)雜，細(xì)菌進(jìn)化了多種趨化行為模式以適應(yīng)其周圍微環(huán)境的變動(dòng)［8-9］。趨化性是細(xì)菌在復(fù)雜異質(zhì)環(huán)境中尋找最佳化學(xué)環(huán)境的能力。當(dāng)細(xì)菌處于存在引誘劑梯度的飽和液體環(huán)境中時(shí)，細(xì)菌會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)自身鞭毛旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行具有偏向性的趨化游動(dòng)（swimming)；當(dāng)細(xì)菌位于含水粗糙表面時(shí)，細(xì)菌仍依賴鞭毛旋轉(zhuǎn)進(jìn)行種群涌動(dòng)（swarming）；而當(dāng)其處于固體界面時(shí)，細(xì)菌則依靠四型菌毛（type IV pili,TfP）的收縮或拉伸進(jìn)行蹭行（twitching）［9］。下面簡(jiǎn)要介紹上述三種細(xì)菌常見的趨化行為模式（游動(dòng)、涌動(dòng)和蹭行）及其相應(yīng)的信號(hào)傳導(dǎo)通路。

1.1 個(gè)體水平上的游動(dòng)

細(xì)菌借助鞭毛旋轉(zhuǎn)在小雷諾數(shù)（約10-5）液體環(huán)境中游動(dòng)［10］。前人以革蘭氏陰性周生鞭毛菌大腸桿菌（Escherichia coli）為模式菌株就細(xì)菌鞭毛結(jié)構(gòu)及其介導(dǎo)細(xì)菌游動(dòng)的機(jī)制展開了深入研究［1,8,11-15］。Berg和Brown［11］利用3D跟蹤細(xì)胞軌跡顯微鏡分別追蹤E. coli在化學(xué)物質(zhì)均勻和存在梯度的飽和液體環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)E. coli在均勻液體環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)類似于隨機(jī)游動(dòng)（圖1A），包括近似直線的快速泳動(dòng)（run）和突然轉(zhuǎn)向的翻滾（tumble）。E. coli直線運(yùn)行的速度約20 μm·s-1、時(shí)間0.8 s左右，此時(shí)周生鞭毛（5～10根）合成一束、鞭毛束逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)（從細(xì)胞體后面觀察）；E. coli突然轉(zhuǎn)向翻滾的時(shí)間約0.2 s，此時(shí)鞭毛束散開、順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)（從細(xì)胞體后面觀察）。當(dāng)細(xì)菌置身于引誘劑（或驅(qū)避劑）濃度梯度中時(shí)，其沿著引誘劑（或反向驅(qū)避劑）濃度梯度上直線運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間增加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具有偏向性的趨化游動(dòng)（圖1B）［11］。周生鞭毛菌一般執(zhí)行“泳動(dòng)-翻滾”（run-tumble）運(yùn)動(dòng)形式，而極性鞭毛菌則進(jìn)行“前進(jìn)-后退”（forward-reverse）（如Shewanell aputrefaciens，Pseudoalteromonas haloplanktis，Vibrio coralliilyticus和Pseudomonas aeruginosa）或“前進(jìn)-后退-跳轉(zhuǎn)”（forward-reverseflick）運(yùn)動(dòng)形式（如Vibrio alginolyticus）［12］。由于極性鞭毛菌不能像E. coli一樣通過(guò)周生鞭毛束的“分-合”實(shí)現(xiàn)重新定位，便進(jìn)化了另一種機(jī)制，即通過(guò)單根鞭毛鉤的離軸變形（off-axis deformation）、短暫逆轉(zhuǎn)（brief reversal）來(lái)改變游動(dòng)方向，不過(guò)極性鞭毛菌亦是通過(guò)增加沿著引誘劑梯度上的總運(yùn)動(dòng)時(shí)間而實(shí)現(xiàn)趨化游動(dòng)的［12］。

圖1 飽和液體微環(huán)境中，趨化性細(xì)菌（E. coli）在無(wú)引誘劑梯度條件下的隨機(jī)游動(dòng)（A）或引誘劑梯度條件下的趨化游動(dòng)（B）Fig. 1 Random swimming of chemotactic bacteria (E. coli) in the absence ofchemoattractant gradient(A) or chemotactic swimming (B)in the presenceofchemoattractant gradientin saturated liquid microenvironment［11, 13］

E.coli整個(gè)趨化信號(hào)傳導(dǎo)通路由感受環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)濃度的跨膜趨化性受體蛋白MCP（Tar,Tsr, Trg, Tap, Aer）和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的六種調(diào)節(jié)蛋白（CheA, CheW, CheY, CheB, CheR和CheZ）參與，任何一個(gè)MCP和調(diào)節(jié)蛋白控制基因的突變或缺失均能致使細(xì)菌失去對(duì)特定引誘劑趨化信號(hào)的感知或傳遞能力，最終使細(xì)菌趨化功能受損或徹底喪失［14］。整體上，E. coli整個(gè)傳導(dǎo)通路由傳感模塊和運(yùn)動(dòng)模塊兩部分組成（圖2），兩模塊經(jīng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)CheY蛋白連接［15］。一般情況下，有活性的CheA蛋白能夠進(jìn)行自磷酸化，一旦CheA蛋白通過(guò)自磷酸化得到磷酸基團(tuán)，則將其轉(zhuǎn)移給響應(yīng)調(diào)節(jié)器CheY蛋白，或者去甲基化激酶CheB蛋白。然后磷酸化的CheY蛋白在細(xì)胞質(zhì)中擴(kuò)散并結(jié)合細(xì)胞膜上的鞭毛馬達(dá)，促進(jìn)鞭毛順時(shí)針旋轉(zhuǎn)［16］。而引誘劑小分子與受體蛋白的結(jié)合，會(huì)抑制CheA蛋白自磷酸化，降低鞭毛馬達(dá)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)比率，從而增加細(xì)菌向高濃度引誘劑直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)具有偏向性的隨機(jī)游動(dòng)［17］。

雖然極性鞭毛菌趨化信號(hào)傳導(dǎo)通路與E. coli大體相似，但更為復(fù)雜，比如銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）控制MCPs的基因簇?cái)?shù)量較E. coli多，且其細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的調(diào)節(jié)蛋白也更多樣［9］。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，細(xì)菌趨化游動(dòng)主要包括三步：1）MCP精確感受化學(xué)刺激并實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大［18］；2）細(xì)胞質(zhì)內(nèi)調(diào)節(jié)蛋白接收化學(xué)信號(hào)并通過(guò)CheY傳遞給鞭毛馬達(dá)；3）鞭毛馬達(dá)感受趨化信號(hào)并調(diào)整鞭毛旋轉(zhuǎn)方向，最終產(chǎn)生具有偏向性的趨化游動(dòng)［19］。需要說(shuō)明的是，細(xì)菌鞭毛馬達(dá)旋轉(zhuǎn)由離子（周生鞭毛菌為H+，極性鞭毛菌為Na+）穿過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜沿著電化學(xué)梯度推動(dòng)。H+或Na+沿著電化學(xué)梯度通過(guò)固定在細(xì)胞壁上的特定motAB蛋白復(fù)合物，motAB蛋白復(fù)合物沿著鞭毛馬達(dá)前進(jìn)并使其旋轉(zhuǎn)［20］。

1.2 種群水平上的涌動(dòng)

當(dāng)細(xì)菌位于含水粗糙表面時(shí)，細(xì)胞經(jīng)歷分裂增殖并依靠鞭毛旋轉(zhuǎn)進(jìn)行種群涌動(dòng)，其速度（2～10 μm·s-1）遠(yuǎn)低于游動(dòng)。科學(xué)工作者在研究細(xì)菌涌動(dòng)機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)：1）涌動(dòng)依賴于鞭毛旋轉(zhuǎn)，并且鞭毛表達(dá)更充分的菌株往往表現(xiàn)出更強(qiáng)的涌動(dòng)能力；2）涌動(dòng)需要表面活性劑參與，而合成表面活性劑通常受細(xì)菌種群感知（quorum sensing, QS）機(jī)制的調(diào)節(jié)［9］。目前，關(guān)于細(xì)菌涌動(dòng)的具體機(jī)制及其生物學(xué)意義尚未明確，比如細(xì)菌TfP在細(xì)菌涌動(dòng)過(guò)程中的作用機(jī)制就較為模糊。Shrout等［23］研究P.aeruginosa的野生型菌株及其缺失pilA基因（編碼TfP蛋白）菌株的涌動(dòng)行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，pilA基因的缺失顯著促進(jìn)了細(xì)菌涌動(dòng)；但Murray和Kazmierczak［24］卻發(fā)現(xiàn)pilA基因缺失對(duì)細(xì)菌涌動(dòng)影響不大。隨后，Anyan等［25］利用數(shù)學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，從物理學(xué)角度進(jìn)一步檢驗(yàn)TfP在細(xì)菌涌動(dòng)過(guò)程中的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌種群涌動(dòng)時(shí)TfP會(huì)通過(guò)調(diào)控細(xì)胞間排列（cell-cell arrangement）而限制其單細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和種群運(yùn)動(dòng)。

圖2 E. coli趨化信號(hào)傳導(dǎo)通路Fig. 2 Chemotactic signal contransduction path of E. coli［21-22］

當(dāng)前的研究結(jié)果表明，細(xì)菌涌動(dòng)和游動(dòng)的趨化通路控制基因可能存在顯著差異［26-27］，但由于細(xì)菌涌動(dòng)不僅涉及細(xì)胞分裂增殖，還往往受尚未明確的QS機(jī)制的影響，因此，人們對(duì)細(xì)菌涌動(dòng)的趨化信號(hào)傳導(dǎo)通路仍然知之甚少。

1.3 種群水平上的蹭行

細(xì)菌通過(guò)將TfP發(fā)射出去—與表面結(jié)合—再收縮的方式牽引細(xì)菌在固體界面上蹭行，該過(guò)程依賴TfP的伸縮而不受制于鞭毛的旋轉(zhuǎn)［24-25］。由于執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的功能性附屬物不同，細(xì)菌蹭行速度（不大于0.1 μm·s-1）遠(yuǎn)低于游動(dòng)和涌動(dòng)。但是，蹭行對(duì)細(xì)菌生命過(guò)程具有多重意義：1）無(wú)法蹭行的細(xì)菌不能形成成熟的三維結(jié)構(gòu)生物膜；2）蹭行很可能啟動(dòng)了其從飽和液態(tài)到固體界面態(tài)轉(zhuǎn)變的信號(hào)通路［28］（當(dāng)細(xì)菌處在較硬固體界面間時(shí)，鞭毛作用大大減弱，蹭行接管細(xì)菌遷移的任務(wù)）。

對(duì)于E.coli，其TfP介導(dǎo)的趨化蹭行與鞭毛介導(dǎo)的趨化游動(dòng)通路大體相近，首先MCP感受細(xì)胞外趨化物梯度，然后細(xì)胞質(zhì)內(nèi)系列調(diào)節(jié)蛋白（ChpA, ChpB, PilK, ChpC, PilH, PilG, PilG-P和PilH-P）接收化學(xué)信號(hào)并通過(guò)PilG-P和PilH-P傳遞給TfP，TfP接收信號(hào)并通過(guò)拉伸或收縮進(jìn)行趨化蹭行［9］。雖然人們了解了E. coli的趨化蹭行傳導(dǎo)通路，但此通路是否能代表所有細(xì)菌，有待一一證實(shí)。

土壤環(huán)境復(fù)雜多變，可能存在多種趨化機(jī)制。Laganenka等［29］發(fā)現(xiàn)E. coli分泌的胞外信使分子（autoinducer）能協(xié)調(diào)細(xì)胞與細(xì)胞間的通訊交流，進(jìn)而增強(qiáng)細(xì)菌種群的趨化性遷移［30］，這可能是目前尚不清楚的另一種趨化信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。土壤中細(xì)菌數(shù)量多、組成復(fù)雜（1 g土中細(xì)菌數(shù)量約1010個(gè)［31］），深入探究細(xì)菌適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的多樣化生存策略，將有助于揭示土壤微生物多樣性的內(nèi)在機(jī)制，并對(duì)微生物學(xué)研究及其相關(guān)交叉科學(xué)研究工作的深入開展具有重要意義。

2 定量細(xì)菌趨化性的數(shù)學(xué)模型

定量模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互檢驗(yàn)共同促進(jìn)了人們對(duì)細(xì)菌趨化性的理解。數(shù)學(xué)模型可以精確描述細(xì)菌特性，例如伊辛模型（Duke和Bray）、Monnod-Wyman-Changeux（MWC）模型［32-33］和受體變量動(dòng)力學(xué)性質(zhì)模型可分別用于模擬細(xì)菌受體簇信號(hào)放大和精確適應(yīng)特性。利用此類模型，不僅可以通過(guò)數(shù)值模擬仿真單細(xì)胞趨化運(yùn)動(dòng)，還可以從種群水平上模擬細(xì)菌的趨化性。Bray等［18］開啟了用數(shù)值模擬的方法描述單個(gè)細(xì)菌趨化性的先河，發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌（E. coli）對(duì)很大范圍內(nèi)的引誘劑（5 nmol·L-1～1 mmol·L-1天冬氨酸）具有趨化運(yùn)動(dòng)。Emonet等［34］提出了仿真單細(xì)胞趨化行為的模擬器AgentCell，Bary等［35］隨后提出了類似的模擬器E.solo。細(xì)菌種群水平趨化性的模擬始于Keller-Segel（KS）模型。該模型是1971年Keller和Segel［36］提出的基于擴(kuò)散和定向運(yùn)動(dòng)描述細(xì)菌種群趨化行為的一維數(shù)學(xué)模型：

式中，b為細(xì)菌種群密度（bacterial population density），ind·mL-1，s為引誘劑濃度（attractant concentration），mol·L-1，μ為細(xì)菌隨機(jī)運(yùn)動(dòng)系數(shù)（bacterial random motility coefficient），mm2·s-1，xo為細(xì)菌趨化感應(yīng)系數(shù)（bacterial chemotactic sensitivity coefficient），mm/receptor，D為引誘劑擴(kuò)散系數(shù)（attractant diffusion coefficient），mm2·s-1，f(b，s)描述引誘劑的消耗或降解。KS經(jīng)典模型能很好地描述細(xì)菌在緩慢變化環(huán)境中的趨化行為，一直被沿用至今。但也有不足之處，如不能解釋細(xì)菌在快速變化環(huán)境中的趨化行為。Si等［37］在研究時(shí)空變化環(huán)境下細(xì)菌趨化行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，在高頻引誘劑濃度變化下，細(xì)菌種群響應(yīng)滯后于濃度變化，甚至出現(xiàn)細(xì)菌在低濃度區(qū)域聚集的反?，F(xiàn)象。

1975年Lovely和Dahlquist［38］首次將細(xì)菌個(gè)體細(xì)胞觀察結(jié)果與隨機(jī)運(yùn)動(dòng)系數(shù)(μ)聯(lián)系起來(lái)，提供了描述細(xì)菌種群運(yùn)動(dòng)的宏觀運(yùn)輸參數(shù)。

式中，v為單個(gè)細(xì)菌平均游動(dòng)速度（themeanindividual-cell swimming speed），μm·s-1，t表示單個(gè)細(xì)菌平均游動(dòng)時(shí)間（the mean individual-cell run time），單位s，θ表示單個(gè)細(xì)菌平均旋轉(zhuǎn)角度（the mean individual-cell turn angle），單位o。

在種群規(guī)模（population scale）上，細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)可用類似于對(duì)流運(yùn)輸系數(shù)描述［36,39］。

式中，vc表示細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)速度（bacterial chemotactic speed），μm·s-1。Kd是受體解離平衡常數(shù)（receptor dissociation equilibrium constant），mol·L-1。

在上述研究基礎(chǔ)上，Zaval’skiǐ［40］建立了細(xì)菌趨化性動(dòng)力學(xué)模型：

式中，γo（Hz）為細(xì)菌在化學(xué)均勻的介質(zhì)中細(xì)胞運(yùn)動(dòng)方向改變的頻率，ψ為趨化作用函數(shù)，用式（6）表示。

式中，δ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，假如趨化因子能夠被細(xì)菌代謝，式（6）應(yīng)該用描述趨化因子消耗或降解的式（7）代替。

式中，K(C)為細(xì)菌消耗引誘劑速率，mol·s-1。

式（5）描述細(xì)菌在線性化學(xué)梯度下的運(yùn)動(dòng)行為，其中（Ⅰ）項(xiàng)是對(duì)細(xì)菌濃度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化的描述；（Ⅱ）項(xiàng)表示細(xì)菌在均勻化學(xué)介質(zhì)中的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)；（Ⅲ）項(xiàng)表示細(xì)菌向較高濃度引誘劑的遷移行為，取決于引誘劑分子的梯度和細(xì)菌受體與引誘劑分子的密切程度。

Lewus和Ford［41］于2001年將數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，分別基于細(xì)菌種群水平和單細(xì)胞水平實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)菌的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)系數(shù)和趨化運(yùn)動(dòng)系數(shù)的定量化，并且提出了無(wú)化學(xué)梯度下細(xì)菌的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)守恒方程（式（8））和化學(xué)梯度下細(xì)菌的偏向性趨化運(yùn)動(dòng)守恒方程（式（9）），

式中，μ由式(3)計(jì)算得到，v由式(4)計(jì)算得到。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到細(xì)菌個(gè)體水平參數(shù)，將其應(yīng)用到細(xì)菌種群水平的宏觀運(yùn)動(dòng)中可描述細(xì)菌種群趨化運(yùn)動(dòng)。Joanna等［42］將一維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)的二維、三維模擬，建議今后的模型使用者根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件將模型進(jìn)行修正優(yōu)化，使數(shù)學(xué)模擬結(jié)果盡可能接近實(shí)驗(yàn)真實(shí)情況。

3 土壤中影響細(xì)菌趨化性的因素

土壤中存在大量孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙大小和孔隙內(nèi)物理、化學(xué)及生物環(huán)境共同作用影響微生物生命歷程以及其群落結(jié)構(gòu)［3,43-44］。細(xì)菌常常利用自身趨化性尋找土壤中的營(yíng)養(yǎng)源（如植物根系分泌或滲出物、其他微生物的胞外分泌物、土壤中的有機(jī)物質(zhì)和化肥等），或遠(yuǎn)離其中的有害化學(xué)物質(zhì)（如化學(xué)農(nóng)藥、抗生素和有害重金屬離子等）。

3.1 物理因素

土壤的時(shí)空異質(zhì)性決定了細(xì)菌趨化現(xiàn)象普遍存在，但由于土壤孔隙大小不一、形狀各異，并且其孔隙內(nèi)微環(huán)境條件隨時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)變化，因此，細(xì)菌在土壤中的運(yùn)動(dòng)并不像在自由水體環(huán)境中那么簡(jiǎn)單。當(dāng)孔隙尺寸小于細(xì)菌鞭毛長(zhǎng)度時(shí)，即使存在引誘劑或抑制劑，細(xì)菌也很難實(shí)現(xiàn)趨化運(yùn)動(dòng)（由于細(xì)菌鞭毛無(wú)法旋轉(zhuǎn)不能改變運(yùn)動(dòng)方向）［45］。此外，當(dāng)細(xì)菌個(gè)體尺寸大于孔隙大小時(shí)，往往容易阻塞（straining）孔隙、因而阻礙其進(jìn)行趨化運(yùn)動(dòng)［46］。除阻塞外，細(xì)菌在土壤多孔介面的吸附是妨礙細(xì)菌進(jìn)行趨化運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)重要原因，其中，細(xì)菌和土壤多孔界面之間的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）相互作用力［47-48］是關(guān)鍵影響因子之一。DLVO理論指出，細(xì)菌或膠體和土壤多孔界面之間的相互作用力主要包括三種力，即范德華吸引力、雙電層力和短距離排斥力（包括水合力和空間排斥力等）［49-50］。當(dāng)細(xì)菌和土壤多孔介面的電荷符號(hào)相同時(shí)，雙電層力為排斥力，此時(shí)，存在排斥勢(shì)壘會(huì)阻礙細(xì)菌吸附在土壤多孔介面。如果細(xì)菌和土壤多孔介面的電荷符號(hào)相反時(shí)，雙電層力為吸引力，此時(shí)，總的相互作用力在任何相互作用距離均為吸引力，因此細(xì)菌極易被吸附在土壤多孔介面。

水分條件亦是影響土壤中細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)的另一關(guān)鍵因素。水分條件影響并調(diào)節(jié)細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)的模式：當(dāng)土壤水分飽和時(shí)，土壤孔隙間水膜連續(xù)，細(xì)菌可在適宜大小的孔隙內(nèi)趨化游動(dòng)；當(dāng)土壤水分不飽和時(shí)，部分孔隙間水膜不連續(xù)，細(xì)菌在粗糙表面上進(jìn)行趨化涌動(dòng)；而當(dāng)土壤相對(duì)干旱時(shí)，蹭行很可能是細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)的主要方式；同時(shí)，由于土壤孔隙結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部環(huán)境在亞毫米尺度就差異很大，細(xì)菌很可能會(huì)根據(jù)周圍微環(huán)境變化靈活更換趨化運(yùn)動(dòng)模式［9,43-44］，但細(xì)菌是如何感知周圍水分變化并靈活調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)附屬物來(lái)執(zhí)行適宜的趨化運(yùn)動(dòng)呢？詳細(xì)機(jī)制還有待進(jìn)一步探究。

此外，細(xì)菌的趨化性還受土壤溫度的顯著影響。Adler［51］使用毛細(xì)管法研究不同溫度（0～40℃）條件下E. coli趨化性時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于15℃時(shí)，E. coli不再具有趨化性；而溫度從20℃上升至30℃時(shí)，聚集在毛細(xì)管附近的細(xì)菌數(shù)量則增加了20倍。這是關(guān)于溫度影響細(xì)菌趨化性的首次報(bào)道，那么溫度影響細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)的機(jī)制是什么呢？Larsen等［52］發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的降低（從25℃降低至5℃），細(xì)菌（Vibrio anguillarum）運(yùn)動(dòng)速度明顯減小，其對(duì)引誘劑的趨化響應(yīng)也變得遲鈍。當(dāng)時(shí)，Larsen等［52］猜測(cè)，溫度通過(guò)影響參與細(xì)菌趨化信號(hào)傳導(dǎo)的跨膜受體和酶活性，以及其甲基化水平，而改變細(xì)菌趨化信號(hào)的傳導(dǎo)速度。隨后，Oleksiuk等［53］驗(yàn)證了上述猜想，并且量化了細(xì)菌運(yùn)動(dòng)速度與溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的趨化運(yùn)動(dòng)速度在5～40℃范圍內(nèi)與環(huán)境溫度線性正相關(guān)。

3.2 化學(xué)因素

適宜的pH是細(xì)菌生長(zhǎng)和執(zhí)行趨化運(yùn)動(dòng)的必要條件之一，主要原因是引誘劑具有特定的pH適宜范圍，大部分引誘劑適宜pH范圍為6～9.5，pH小于6或大于9.5時(shí)細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)能力下降，而當(dāng)pH小于或等于4時(shí)其趨化能力基本喪失［54］。此外，離子濃度也顯著影響細(xì)菌趨化能力，Larsen等［52］研發(fā)現(xiàn)細(xì)菌（V. anguillarum）在低鹽溶液中的趨化性響應(yīng)更為靈敏。此外，細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)也受土壤中溶解氧濃度的調(diào)控［9］。例如，Shioi等［55］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶解氧濃度較高時(shí)，Salmonella typhimurimu、E. coli和Bacillus subtilis進(jìn)行遠(yuǎn)離高濃度溶解氧的負(fù)趨化運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)溶解氧濃度低于0.25 mmol·L-1時(shí)，則進(jìn)行趨向高濃度溶解氧的正趨化運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，Tao［56］利用KS數(shù)學(xué)模型對(duì)細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)中的耗氧量進(jìn)行了計(jì)算。但是，人們對(duì)氧氣濃度影響細(xì)菌趨化性的具體機(jī)制尚不明確。此外，土壤溶液重金屬離子和污染物濃度也是影響細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)的重要化學(xué)因素［54］。

細(xì)菌趨化性是土壤中物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵，受土壤理化性質(zhì)的顯著影響。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)土壤理化條件（土壤孔隙度、水分、溫度、pH、鹽堿度、氧氣濃度等）來(lái)調(diào)控細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分的高效利用是一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)而具有深刻意義的重要研究課題。

4 土壤中細(xì)菌趨化現(xiàn)象及其意義

4.1 趨化性影響土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)

環(huán)境中的細(xì)菌一般會(huì)對(duì)多種化學(xué)物質(zhì)具有趨化性，細(xì)菌種類不同，引誘劑也存在差別。土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)容易受細(xì)菌趨化作用的調(diào)節(jié)，其在土壤根際微環(huán)境中尤為顯著［57］。20世紀(jì)80年代，Caetano-Anollés等［58］發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性和趨化性在根系定殖過(guò)程中的重要作用，表明細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性和趨化性是細(xì)菌與植物根表面建立初始“化學(xué)-物理接觸”的重要因素。De Weert等［59］也發(fā)現(xiàn)了趨化性在細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)定殖（competitive colonization）中的必要作用。隨后，Juárez-Hernández等［60］對(duì)比了野生型Pseudomonas putidaKT 2440及其趨化受體缺失的突變體在番茄根系的定殖能力，發(fā)現(xiàn)趨化功能健全的野生型菌株更容易定殖到根系表面。綜上可知，細(xì)菌趨化性是細(xì)菌在作物根系成功定殖的關(guān)鍵。細(xì)菌之所以能借助自身趨化性成功定殖于作物根系，主要是因?yàn)橹参锔捣置诘幕瘜W(xué)物質(zhì)被微生物視作一種趨化信號(hào)（引誘劑-正趨化運(yùn)動(dòng)信號(hào)或驅(qū)避劑-負(fù)趨化運(yùn)動(dòng)信號(hào)）［61］，它可以影響并調(diào)節(jié)細(xì)菌在根系的定殖水平和其在根際土壤中生存的能力，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)［62］。此外，Wu等［63］研究連作障礙產(chǎn)生的原因時(shí)發(fā)現(xiàn)，連作會(huì)導(dǎo)致根系有益微生物數(shù)量減少，而增加致病菌趨化蛋白CheA的表達(dá)，具體機(jī)制是，連作累計(jì)時(shí)間效應(yīng)增加了土壤中致病真菌的營(yíng)養(yǎng)引誘劑（有機(jī)酸），顯著促進(jìn)了致病真菌的生長(zhǎng)，致使根系土壤微生物群落發(fā)生了改變。因此，進(jìn)一步研究細(xì)菌趨化性在連作障礙中的作用機(jī)制將有助于明確單作系統(tǒng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。

今后可從基因水平上研究趨化基因表達(dá)（通過(guò)改變土壤理化條件）與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)間的內(nèi)在定量關(guān)系。此外，目前關(guān)于細(xì)菌趨化性對(duì)土壤微生物多樣性影響的相關(guān)研究還不夠深入，人們較多關(guān)注單一菌株的趨化作用。然而，自然環(huán)境中的細(xì)菌通常不是單獨(dú)生活，而是與其他種群存在競(jìng)爭(zhēng)、互利共生或交叉喂養(yǎng)等綜合作用。研究多種菌株趨化作用過(guò)程中的互作或協(xié)同作用，有助于揭示土壤微生物多樣性內(nèi)在機(jī)制。

4.2 細(xì)菌趨化性對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響

前人研究表明，細(xì)菌趨化性促進(jìn)海洋生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與循環(huán)［2,64］。單從物理作用的角度分析，細(xì)菌鞭毛運(yùn)動(dòng)能夠使其周圍液體產(chǎn)生流場(chǎng)（flow field）［65］，該流場(chǎng)會(huì)影響化學(xué)物質(zhì)的運(yùn)輸、細(xì)胞與其臨近界面間的物理作用以及細(xì)胞間的耦合運(yùn)動(dòng)［66］；而事實(shí)上這一過(guò)程往往是更為復(fù)雜的生物-物理-化學(xué)綜合作用。Smriga等［2］發(fā)現(xiàn)，死亡浮游植物細(xì)胞裂解后釋放大量溶解性有機(jī)物，而這些養(yǎng)分物質(zhì)則會(huì)吸引具有趨化能力的細(xì)菌，該趨化過(guò)程僅僅持續(xù)約5～10 min，期間，細(xì)菌將裂解細(xì)胞捕食完后逐漸趨于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，直至下一個(gè)捕食目標(biāo)的出現(xiàn)。Pedler等［64］進(jìn)一步說(shuō)明了細(xì)菌趨化性具有促進(jìn)海洋中碳循環(huán)的功能。

與海洋生態(tài)系統(tǒng)相比，土壤生態(tài)環(huán)境中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與循環(huán)更為復(fù)雜，其中，微生物的活動(dòng)顯得至關(guān)重要。在這一過(guò)程中，微生物通過(guò)釋放胞外活性酶，分解大部分有機(jī)質(zhì)或促進(jìn)養(yǎng)分物質(zhì)的礦化，以便從復(fù)雜的有機(jī)化合物中獲取營(yíng)養(yǎng)［31］。土壤中死亡的微生物、動(dòng)物和植物枯枝落葉以及部分有機(jī)膠體顆粒均是細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)源，細(xì)菌能將其礦化、固持，將植物不可直接利用的營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化為微生物量碳、氮等。該過(guò)程加速了土壤中養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)，促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用。目前，我們關(guān)于細(xì)菌趨化性如何促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)的研究還處于定性化初級(jí)研究階段。

4.3 細(xì)菌趨化性促進(jìn)土壤有機(jī)污染物降解

微生物在自然環(huán)境中進(jìn)化出了完善的趨化作用機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)生存環(huán)境變化，例如，細(xì)胞通過(guò)MCP感知周圍化學(xué)信號(hào)的變化，借助鞭毛和TfP執(zhí)行偏向性運(yùn)動(dòng)，以便尋找適宜的生存環(huán)境［20］。近幾十年來(lái)，科研工作者在細(xì)菌對(duì)環(huán)境污染物趨化性方面開展了大量卓有成效的研究［3,67］，并分離和鑒定了多種對(duì)環(huán)境異源污染物具有趨化性的微生物（表1）。越來(lái)越多的證據(jù)顯示，具有運(yùn)動(dòng)能力的微生物對(duì)其可降解的環(huán)境污染物幾乎均具有趨化性，且大多細(xì)菌擁有明確探測(cè)和響應(yīng)化學(xué)污染物的感官系統(tǒng)［68］。細(xì)菌對(duì)特定污染物的趨化基因與降解基因間有著密切聯(lián)系，這點(diǎn)已從細(xì)菌對(duì)其大多降解底物具有趨化性的表觀現(xiàn)象中得到初步證實(shí)［69］。Harwood等［70］也從分子生物學(xué)水平找到了直接證據(jù)，發(fā)現(xiàn)Pseudomonas putidaPRS2000的4-基苯甲酸降解基因與趨化基因是被質(zhì)粒共同調(diào)節(jié)的。隨后，Hawkins和Harwood［71］發(fā)現(xiàn)Ralstonia eutrophaJMP134的質(zhì)粒上同時(shí)具有2, 4-二氯苯氧乙酸的趨化基因和降解基因。

細(xì)菌通過(guò)對(duì)可代謝污染物的趨化作用可促進(jìn)其對(duì)污染物的降解，該過(guò)程是生物修復(fù)受污染土壤的重要內(nèi)容。Adadevoh等［3,67］結(jié)合土柱實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型，在研究萘降解菌Pseudomonas putidaG7和其趨化性突變體Pseudomonas putidaG7 Y1對(duì)萘的趨化和降解作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌趨化能力延長(zhǎng)了其在萘分布均勻的土柱中的穿透時(shí)間，進(jìn)而提高了對(duì)萘的降解效率（萘的回收率降低了45%）。實(shí)際上，細(xì)菌對(duì)污染物的趨化運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了降解菌株與目標(biāo)污染物之間的直接接觸，而這樣的接觸是實(shí)現(xiàn)生物修復(fù)的關(guān)鍵。同時(shí)，趨化性增加降解菌尋找合適碳源、氮源和其他養(yǎng)分或能源的機(jī)會(huì)，使降解菌在與土著微生物的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中不至于一敗涂地（甚至表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)），這對(duì)于低濃度污染物的生物修復(fù)尤為重要［68-69］。總之，土壤細(xì)菌趨化性研究將為土壤污染的生態(tài)防治和生物修復(fù)等應(yīng)用研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。然而，利用土壤細(xì)菌趨化性實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤污染的原位修復(fù)還有很長(zhǎng)的一段路要走。

表1 對(duì)土壤異源污染物具有正趨化作用的微生物一覽表Table 1 A list of microbes showing positive chemotaxis to soil heterologous pollutants

續(xù)表

5 土壤細(xì)菌趨化性的研究方法

作為天然的多孔介質(zhì)，土壤由復(fù)雜的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各種各樣的化學(xué)物質(zhì)、養(yǎng)分或電子受體等各類動(dòng)態(tài)梯度組成，土壤中孔隙結(jié)構(gòu)不僅數(shù)量眾多而且時(shí)空差異性大。這些特征在亞毫米尺度上就差異很大，使得土壤細(xì)菌趨化性的宏觀研究結(jié)果難以解釋，同時(shí)，土壤的不透明性和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得土壤微生物過(guò)程的原位觀測(cè)變得尤為困難，一定程度上限制了土壤細(xì)菌趨化性的研究［111］。為實(shí)現(xiàn)細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)的定性或定量化研究，學(xué)者們研發(fā)了系列細(xì)菌趨化性研究方法，如毛細(xì)管法（圖3A）、瓊脂平板法（圖3B）和砂柱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖3C）及熒光原位雜交微流體顯微術(shù)（圖3D）。下面簡(jiǎn)要概述前三種方法并重點(diǎn)介紹熒光原位雜交微流體顯微術(shù)及其在土壤細(xì)菌趨化性研究中的應(yīng)用。

5.1 毛細(xì)管法（capillary assay）

1884年，Pfeffer［4］將裝有天冬氨酸溶液的毛細(xì)管水平放置到細(xì)菌懸浮液中，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌會(huì)跟蹤擴(kuò)散出來(lái)的天冬氨酸分子，聚集在毛細(xì)管管口并進(jìn)入毛細(xì)管內(nèi)，由此發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的趨化現(xiàn)象。Sherris等［112］使用相似的扁平毛細(xì)管（flat capillary tube）觀察了細(xì)菌對(duì)空氣或精氨酸趨化游動(dòng)的現(xiàn)象。毛細(xì)管法是細(xì)菌趨化性研究最原始的方法，該方法雖然能實(shí)現(xiàn)細(xì)菌趨化游動(dòng)的半定量化［1］，但不能用于研究細(xì)菌的趨化涌動(dòng)和趨化蹭行。

5.2 瓊脂平板法（agar-plate assay）

瓊脂平板法常用于研究細(xì)菌對(duì)可代謝引誘劑的趨化運(yùn)動(dòng)。如將菌液接種到瓊脂培養(yǎng)基中心，趨化細(xì)菌消耗中心處營(yíng)養(yǎng)物后會(huì)向外散開尋找新營(yíng)養(yǎng)源；又或是將引誘劑置于瓊脂培養(yǎng)基中心，一定時(shí)間形成濃度梯度后于特定位置接種菌液，記錄細(xì)菌在引誘劑梯度上的趨化運(yùn)動(dòng)［1,9］。該方法的優(yōu)勢(shì)在于調(diào)節(jié)瓊脂培養(yǎng)基中瓊脂濃度（w/v）可實(shí)現(xiàn)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)模式的研究。普遍認(rèn)為當(dāng)瓊脂濃度小于0.3%時(shí)，細(xì)菌在液體環(huán)境中游動(dòng)；當(dāng)瓊脂濃度介于0.3%與1.0%之間時(shí)，細(xì)菌進(jìn)行種群涌動(dòng)；而瓊脂濃度大于1.0%時(shí)，大量細(xì)菌在固體界面間蹭行［9,25,27-28］。人們常通過(guò)對(duì)比細(xì)菌在不同化學(xué)梯度瓊脂培養(yǎng)基上的菌落形貌來(lái)分析細(xì)菌是否對(duì)該物質(zhì)具有趨化作用，而事實(shí)上，菌落擴(kuò)增不能單單歸因于細(xì)菌的趨化運(yùn)動(dòng)，細(xì)菌分裂增殖引起的細(xì)胞排擠也很可能促使細(xì)胞向外沿移動(dòng)，因此需結(jié)合細(xì)菌生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型、計(jì)算養(yǎng)分?jǐn)U散與消耗速率等，綜合分析后再做判定［44］。此外，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，但缺點(diǎn)是難以精確控制細(xì)菌運(yùn)動(dòng)環(huán)境條件（水、養(yǎng)分、氧氣等）［9］。

5.3 砂柱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（sand-column experimental

system）

砂柱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)常用于模擬細(xì)菌在多孔異質(zhì)介質(zhì)（土壤）中與水和溶質(zhì)共同遷移的特征，借助化學(xué)物質(zhì)濃度梯度再現(xiàn)土壤異質(zhì)特性，調(diào)控石英砂粒徑分布生成一定范圍內(nèi)的孔隙分布的砂土介質(zhì)［42］。該系統(tǒng)操作便捷，價(jià)格便宜，贏得了眾多研究者的青睞，不足之處在于1）無(wú)法實(shí)現(xiàn)細(xì)菌在含有養(yǎng)分梯度砂柱中趨化過(guò)程的可視化；2）不適于細(xì)質(zhì)地土壤的模擬；3）恒定控制砂柱內(nèi)非飽和水環(huán)境十分困難［67］。

5.4 熒光原位雜交微流體顯微術(shù)（Fluorescence in situ hybridization microfluidic microscopy, FISHMM）

熒光原位雜交技術(shù)、微流控技術(shù)和近代光學(xué)顯微術(shù)相結(jié)合的集合技術(shù)簡(jiǎn)稱為FISHMM，該集合不僅具有非接觸、無(wú)損傷的特點(diǎn)，還快速、便捷，實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌在可控微環(huán)境中趨化運(yùn)動(dòng)的可視化、定量化和數(shù)據(jù)化。DNA熒光原位雜交技術(shù)（Fluorescence in situ hybridization, FISH）是一種應(yīng)用非放射性熒光物質(zhì)依靠核酸探針雜交原理在核中或染色體上顯示DNA序列位置的方法。該項(xiàng)技術(shù)安全、快速、準(zhǔn)確、原位以及可動(dòng)態(tài)觀察等特點(diǎn)使其成為環(huán)境微生物學(xué)、微生物生態(tài)學(xué)和微生物診斷學(xué)研究的可靠工具［113］。但傳統(tǒng)的熒光蛋白分子探針（綠色熒光蛋-GFP、紅色熒光蛋白-RFP、黃色熒光蛋白-YFP等）標(biāo)記細(xì)菌，存在長(zhǎng)時(shí)間跟蹤細(xì)胞軌跡激發(fā)光激發(fā)條件下熒光易淬滅的缺點(diǎn)。新型的納米生物探針量子點(diǎn)具有光化學(xué)穩(wěn)定性高、抗光漂白能力強(qiáng)、熒光不易淬滅等優(yōu)良光學(xué)特性，能對(duì)完整的活細(xì)胞進(jìn)行定性、定量和定位的測(cè)量，功能強(qiáng)大，可操作性強(qiáng)［114］，預(yù)計(jì)新一代量子點(diǎn)技術(shù)將在土壤細(xì)菌趨化性及高清晰度活細(xì)胞成像、長(zhǎng)時(shí)程觀察活細(xì)胞遷移等方面發(fā)揮巨大潛力。

相比較傳統(tǒng)的細(xì)菌趨化性研究方法，微流體技術(shù)能更精確地控制細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)的微環(huán)境，開啟了從單細(xì)胞尺度原位探究細(xì)菌趨化性的大門。微流控技術(shù)能夠在微米尺度上定量分析細(xì)菌的趨化運(yùn)動(dòng)過(guò)程。Mao等［115］首次將微流技術(shù)應(yīng)用到細(xì)菌趨化性研究中來(lái)，模擬構(gòu)建了微生物棲息地的微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌趨化過(guò)程中細(xì)胞運(yùn)動(dòng)軌跡的可視化。為模擬土壤中微孔結(jié)構(gòu)，越來(lái)越多的科學(xué)工作者專注于微流體設(shè)備平臺(tái)的搭建，不僅能制出比線性結(jié)構(gòu)外更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微流體，還能控制微流體表面的濕度、粗糙度和親疏水性等（分辨率可達(dá)到2 μm）［5-6］?？傊⒘骺丶夹g(shù)具有能夠精確控制微通道反應(yīng)器中流體速度、水分含量、溫度大小和化學(xué)梯度及表面特性等物理化學(xué)生物環(huán)境的能力。

簡(jiǎn)言之，首先利用微流體技術(shù)在透明且生物相容的有機(jī)材料（如：聚二甲基硅氧烷—PDMS或聚乙二醇—PEGDA等水凝膠）上拓印出幾微米至數(shù)百微米的微溝道，用以模擬土壤中大小不一、形狀各異的孔隙結(jié)構(gòu)，再結(jié)合熒光原位雜交技術(shù)和光學(xué)顯微技術(shù)3D追蹤細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)軌跡，二者結(jié)合實(shí)現(xiàn)了基于多細(xì)胞和微孔尺度上土壤細(xì)菌趨化作用機(jī)制的研究。熒光顯微鏡研究的快速發(fā)展，自動(dòng)成像和細(xì)菌追蹤技術(shù)的進(jìn)步，為細(xì)胞內(nèi)部形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生命運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象觀測(cè)提供技術(shù)支撐。值得一提的是，細(xì)菌運(yùn)動(dòng)軌跡的3D追蹤一直是細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)研究的核心技術(shù)。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡捕捉到的照片只是細(xì)菌空間運(yùn)動(dòng)軌跡的2D投影。不過(guò)，3D軌跡跟蹤顯微鏡能夠得到單個(gè)細(xì)菌的時(shí)空運(yùn)動(dòng)信息，其工作原理是基于通過(guò)3D顯微鏡的電動(dòng)載物臺(tái)的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)確保單個(gè)細(xì)菌的自動(dòng)聚焦，該類顯微鏡為我們提供了周生鞭毛菌E. coli和單鞭毛菌Caulobacter crescentus單個(gè)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)信息［13］，此技術(shù)的缺點(diǎn)在于一次只能追蹤一個(gè)細(xì)菌。近階段，數(shù)字全息顯微術(shù)（digital holographic microscopy）和離焦顯微術(shù)（defocused microscopy）［116］能夠在不移動(dòng)顯微鏡載物臺(tái)的情況下，同時(shí)捕獲上百個(gè)微生物的位置，二者功能強(qiáng)大，應(yīng)用前景廣闊。

總之，由現(xiàn)代分子生物學(xué)和生物物理學(xué)研究手段結(jié)合的熒光原位雜交微流體顯微術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從土壤孔隙水平和細(xì)胞尺度上探究土壤中微生物運(yùn)動(dòng)，能夠可視化土壤內(nèi)部生物過(guò)程，為定量生物學(xué)研究提供了強(qiáng)有力的工具，外加操作簡(jiǎn)便、節(jié)約空間，未來(lái)必將受到各個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室的青睞。

圖3 細(xì)菌趨化性研究方法：改進(jìn)的毛細(xì)管法（A）；瓊脂平板法（B）；砂柱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（C）；熒光原位雜交微流體顯微術(shù)（D）Fig. 3 Bacterialchemotaxis assays: Modified capillary assay (A); Agar-plate method (B); Sand-column experimental system (C); and Fluorescence in situ hybridization microfluidic microscopy (D)

6 研究展望

雖然土壤細(xì)菌趨化性研究取得了一定的進(jìn)展，但還有很多工作值得科學(xué)研究人員的重視并深入探究，例如：1）土壤孔隙和細(xì)胞水平上探究細(xì)菌對(duì)土壤動(dòng)植物分泌物、土壤異源污染物的趨化機(jī)理，剖析細(xì)菌趨化基因與降解和代謝基因間的分子生物學(xué)關(guān)系；2）探究QS影響細(xì)菌種群的趨化性遷移的機(jī)制，進(jìn)一步解析細(xì)菌趨化過(guò)程中細(xì)胞間的信號(hào)傳遞機(jī)制；3）探究細(xì)菌趨化性在細(xì)菌生存調(diào)控、種間關(guān)系調(diào)節(jié)和土壤微生物多樣性維持及土壤養(yǎng)分再分配中的作用機(jī)制；4）探究細(xì)菌TfP介導(dǎo)細(xì)菌趨化運(yùn)動(dòng)的機(jī)制，并分析探討其與鞭毛介導(dǎo)趨化運(yùn)動(dòng)的協(xié)作機(jī)制；5）研究細(xì)菌趨化性與土壤物理化學(xué)因素（土壤含水量、質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組分等）的相互作用。這些問(wèn)題均有待更多的科研工作去揭示?？傊瑢?duì)土壤細(xì)菌趨化性的深入研究有助于揭示細(xì)菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制，在土壤微生物多樣性維持、土壤養(yǎng)分分配和土壤污染生態(tài)防治及微生物過(guò)程修復(fù)等應(yīng)用研究中意義重大，值得進(jìn)行更多的深入研究。

致 謝 感謝博士生王燕和韓天富對(duì)文獻(xiàn)收集和討論方面提供幫助。