?微生物生長減緩或暫停狀態(tài)的分類
我們熟知的微生物生長減緩或暫停狀態(tài)包括靜止、休眠、饑餓誘導(dǎo)的靜止期，以及如抗生素中的持久性狀態(tài)。在理解這些以及其他類似狀態(tài)時，我們面臨一些挑戰(zhàn)。一個主要的難點是確定一個群體中是否真的沒有細胞在分裂，因為通常不會對單個細胞進行足夠長時間的監(jiān)測。在許多情況下，要確定需要監(jiān)測多長時間才能觀察到細胞的變化還是一個未解之謎。例如，在1°C的條件下，可能需要長達兩周時間的顯微鏡攝像才能觀察到酵母細胞的大小變化。
另一個挑戰(zhàn)是，即使在由相同細胞組成的群體中，也可能存在多種不同的生長減緩或暫停狀態(tài)，這些狀態(tài)只有在單細胞層面上才能被檢測出來。比如，在饑餓狀態(tài)下的酵母細胞同源群體中，一些細胞可能處于靜止狀態(tài)，而其他細胞可能正在形成孢子。通過單細胞層面的測量，最近的研究發(fā)現(xiàn)，即使在同源群體中，也存在著一個連續(xù)的非生長狀態(tài)梯度。這意味著每個細胞都展現(xiàn)出獨特的可量化表型。一個關(guān)鍵問題是，不同微生物狀態(tài)之間的相關(guān)性有多大，因為看起來不同的兩種狀態(tài)實際上可能是相同的。特別是在休眠方面，作為真核生物休眠孢子，即使在沒有任何營養(yǎng)物質(zhì)的情況下，也能表達基因。
同樣，通過測量遇到抗生素的單個大腸桿菌細胞的再生長能力，研究人員最近提出了“休眠深度”這一概念，將死亡與活躍但不生長的狀態(tài)聯(lián)系起來。在這種情況下，休眠深度越深，細胞在抗生素消失后恢復(fù)和重新生長所需的時間就越長；休眠深度太深可能意味著細胞永遠無法恢復(fù)（即死亡）。
休眠中的生命動態(tài)
普遍的觀點是休眠孢子中不存在任何細胞內(nèi)活動。這種看法主要基于兩個因素：一是孢子缺乏外部能量來源，如營養(yǎng)；二是某些孢子的細胞質(zhì)呈玻璃狀，這限制了蛋白質(zhì)的運動和化學(xué)反應(yīng)。支持這種觀點的一個論據(jù)是，與分裂的微生物細胞相比，處于靜止期或休眠期的微生物的基因表達水平大幅降低。雖然長期以來人們認為休眠狀態(tài)是一種完全不活躍的狀態(tài)，但目前并沒有確切的證據(jù)來證明休眠孢子完全停止了基因表達或其他所有細胞內(nèi)活動。這主要是因為休眠孢子內(nèi)部發(fā)生的生化反應(yīng)非常罕見且緩慢，難以被精確測量。但這里有一個關(guān)鍵問題：為什么我們要區(qū)分極其罕見的事件和根本不存在的事件？事實上，不常發(fā)生并不意味著無關(guān)緊要。在休眠孢子中可能發(fā)生著極為罕見的過程，這些過程雖然緩慢，但在足夠長的時間內(nèi)可能會消耗掉孢子所儲存的、用于萌發(fā)的資源，如核苷酸和ATP。因此，當環(huán)境中出現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)時，這些罕見的過程可能會阻止孢子在未來發(fā)芽。
最近的研究揭示了決定休眠孢子壽命、發(fā)芽概率和發(fā)芽時間的多種因素。如前文所述，一個重要的發(fā)現(xiàn)是休眠酵母孢子（S.cerevisiae）的基因表達能力與孢子的壽命（在休眠期間保持活力）和發(fā)芽傾向有關(guān)。相對地，另一項研究發(fā)現(xiàn)，休眠的枯草芽孢桿菌孢子，由于其細胞內(nèi)充滿了鉀離子（K+）和二苦味酸，無法進行基因表達、代謝或儲存ATP，這阻止了細胞內(nèi)的活動。因此，由于缺乏ATP，枯草芽孢桿菌孢子不能主動感知環(huán)境來檢測營養(yǎng)物質(zhì)的出現(xiàn)。
然而，這些孢子可以通過受體被動地與L-丙氨酸（一種發(fā)芽所需的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)）結(jié)合來引發(fā)發(fā)芽過程。這個過程包括單價離子和二苦味酸從受體中排出，水分進入受體，從而實現(xiàn)基因表達、代謝活動，并最終促使孢子發(fā)芽。這個被動過程被形象地描述為：細胞外的L-丙氨酸與其受體結(jié)合，無需使用ATP，就可以從孢子中“擠出”鉀離子，就像從氣球中擠出空氣一樣，而孢子本身處于被動狀態(tài)。在排出足夠多的鉀離子后，枯草芽孢桿菌孢子終于可以開始基因表達并發(fā)芽。
這一發(fā)現(xiàn)對枯草芽孢桿菌孢子的被動特性提出了一些概念性的問題，這些問題與那些維持ATP消耗過程的生物（如S.cerevisiae）的休眠孢子不同。通常認為，具有活性過程的休眠孢子的壽命是有限的，因為這些活性過程會耗盡其儲存的資源。然而，考慮到其進化相關(guān)性，我們期望這些休眠孢子能在長時間內(nèi)保持活力。問題是，如何使具有活躍過程的休眠孢子保持較長壽命？通過定量方法來研究并定義這些較少被研究的孢子（例如生活在冰川和海洋沉積物中的孢子）的休眠狀態(tài)，將加深我們對休眠現(xiàn)象的理解。
解除休眠的動力
當營養(yǎng)物質(zhì)重新出現(xiàn)時，孢子會開始發(fā)芽。但是，引發(fā)孢子萌發(fā)的具體細胞內(nèi)步驟是什么？為何在同一種群中，有些孢子能夠萌發(fā)而另一些卻不能？最近的研究揭示了發(fā)芽過程的一些不尋常的特點。一個關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是，對于枯草芽孢桿菌孢子來說，那些在饑餓狀態(tài)下形成較晚的孢子，在營養(yǎng)物質(zhì)出現(xiàn)時萌發(fā)的可能性較低。相比之下，較早形成的孢子來自于在饑餓過程中分裂次數(shù)較少的細胞。因此，相比較早形成的孢子，這些較晚形成的孢子擁有較少的萌發(fā)所需因子（如丙氨酸脫氫酶），因為它們是由在細胞分裂過程中耗盡或稀釋了更多這些因子的細胞產(chǎn)生的。此外，通過熒光素酶發(fā)光法補充研究推斷了枯草芽孢桿菌孢子內(nèi)部儲存的資源量。這表明，孢子在遇到L-丙氨酸時會在不同時間萌發(fā)，這是因為孢子擁有不同數(shù)量的輔助萌發(fā)資源，如儲存的氧化還原電位，但不包括ATP。
到目前為止，研究主要集中在休眠孢子的自主萌發(fā)傾向上。一個有趣的未來研究方向是探討孢子是否能夠相互幫助萌發(fā)，類似于土壤中的Myxococcus xanthus。這種菌株的萌發(fā)孢子能分泌并感知諸如甘氨酸甜菜堿之類的“萌發(fā)因子”，從而幫助同一種群中的其他孢子萌發(fā)。這種相互作用的研究可能為我們理解孢子萌發(fā)的過程提供更多的洞見。
無孢子微生物
我們已經(jīng)討論了孢子的休眠和萌發(fā)，但那些無法或不產(chǎn)生孢子的微生物是如何在缺乏營養(yǎng)物質(zhì)的條件下保持活力的呢？這些微生物，就像休眠孢子一樣，也會調(diào)整它們的細胞內(nèi)過程，可能是為了減少能量消耗。舉例來說，生長受限的銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）表現(xiàn)出緩慢但可檢測的細胞內(nèi)活動，這是由于它們的RNA聚合酶活性降低，但并非完全消失。此外，一些生長受限的細菌會緩慢合成蛋白質(zhì)和代謝物，包括ATP。目前的研究重點是確定這些分子和過程中哪些對于細胞群在足夠養(yǎng)分出現(xiàn)時重新進入快速生長階段至關(guān)重要。
一個新興的研究領(lǐng)域是，不同的生長表型在同源饑餓群體中的共存。這種共存可能為種群提供一種對沖策略：當營養(yǎng)物質(zhì)出現(xiàn)時，饑餓種群中的一些細胞以不同的表型狀態(tài)存在，這樣做可以延長其生存時間并更快地恢復(fù)快速生長。例如，在生長停滯的同源群體中，只有部分細胞表現(xiàn)出緩慢生長；大腸桿菌或枯草桿菌群體中的細胞在靜止期或休眠期內(nèi)合成蛋白質(zhì)的量不同，取決于細胞內(nèi)鳥苷酸核苷酸（ppGpp）的濃度；某些饑餓狀態(tài)下的枯草桿菌細胞不產(chǎn)生孢子，而是形成耐藥性較強的繭狀結(jié)構(gòu)，每隔大約4天分裂一次，能存活數(shù)月。此外，通過在微流體通道中監(jiān)測單個大腸桿菌細胞的生長和代謝基因表達，研究人員發(fā)現(xiàn)，細胞間營養(yǎng)代謝基因表達的變異產(chǎn)生了多種對沖策略。例如，lac操縱子基因表達的變異可能導(dǎo)致一些大腸桿菌在環(huán)境轉(zhuǎn)換時進入特別長的滯后期。
研究還表明，饑餓細胞的存活時間主要取決于其在饑餓過程中儲存的分子數(shù)量和類型。例如，一種生長受限的光合細菌Rhodopseudomonas palustris體內(nèi)儲存的ATP量是其生存時間的關(guān)鍵因素。由于生命必需的分子并非只有一種，確定哪組分子真正決定了生長受限、饑餓的細胞在營養(yǎng)物質(zhì)出現(xiàn)時能否恢復(fù)生長變得非常重要。另一個有前途的研究方向是探索饑餓微生物是如何維持彼此的活力的。例如，大腸桿菌在靜止期通過“食人新陳代謝”——消耗死亡細胞釋放的分子——來生長和分裂，這使得細胞群能夠維持活細胞的時間比單個細胞自主維持的時間更長。
極端溫度下的生命動態(tài)變化
微生物廣泛分布于地球上各種寒冷的環(huán)境，從海底到冰川不等。它們甚至在城市、公園和沙漠等地，在冬季和夜間也必須忍受嚴寒。目前，科學(xué)家正在實驗室中培養(yǎng)從加拿大北極地區(qū)和永久凍土等極寒環(huán)境中分離出的微生物，這有助于我們開始理解許多嗜低溫微生物的生理機能。研究微生物如何適應(yīng)寒冷環(huán)境的一個方法是通過研究在極低溫度下的模式生物。例如，通過對酵母菌S.cerevisiae單個細胞進行長達數(shù)月的監(jiān)測并結(jié)合數(shù)學(xué)模型，研究人員最近發(fā)現(xiàn)，在0°C以上和10°C以下的每個溫度下，酵母菌都有一個生長速度的低速和高速極限，這意味著存在最短和最長的可能倍增時間。這項研究發(fā)現(xiàn)，在這些寒冷溫度下，酵母菌的生存能力和速度極限源自于兩個相互競爭的過程：活性氧（ROS）的產(chǎn)生和減少。
這項研究指出，酵母減少ROS的速度主要取決于它們合成抗氧化劑所需的時間，而這又依賴于基因表達速度，即轉(zhuǎn)錄和翻譯所需的平均時間。值得注意的是，ROS含量并不影響基因表達速度：無論ROS含量高低，酵母的基因表達速度保持一致。令人感興趣的是，最近的研究也證實，在阻礙大腸桿菌和酵母生長的高溫條件下，ROS在決定細胞存活率方面起著至關(guān)重要的作用。例如，在高溫下，大腸桿菌會停止生長并觸發(fā)所謂的“熱熔斷”反應(yīng)——MetA（合成蛋氨酸所需的酶）的降解——暫停蛋氨酸和其他分子的合成，而這些分子要么會產(chǎn)生ROS，要么會被ROS破壞。有趣的是，即使沒有任何細胞，生長培養(yǎng)基中的典型成分（如氨基酸和礦物質(zhì)，但不包括糖）也能產(chǎn)生ROS，進一步強調(diào)了ROS在極端溫度條件下的重要性。
這些發(fā)現(xiàn)表明，細胞快速減少ROS的能力——在ROS引起的損傷積累到臨界值之前減少ROS——是它們在極端溫度下生存的重要甚至可能是主要的決定因素。這些發(fā)現(xiàn)還提示，類似于前面提到的枯草芽孢桿菌孢子，氧化還原電位是孢子發(fā)芽能力的一個重要指標。一個非常有前景的研究方向是量化ROS如何影響全球氣候變暖背景下微生物群落的生態(tài)動態(tài)和生存策略。
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