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在2014年1月9日的《Science》杂志上发表的一项最新研究，对细菌生物膜和海洋无脊椎动物变态之间所存在的关系，提供了一种解释：海洋细菌——藤黄紫假交替单胞菌（Pseudoalteromonas luteoviolacea）能够产生一种噬菌体尾状结构阵列，来引发华美盘管虫（Hydroides elegans）的变态发育。
如果你曾经滑到在海边黏滑潮湿的岩石上，你得感谢细菌。这些细菌，依偎在一种支持性的细胞外基质中，形成了细菌生物膜——通常粘附在潮湿表面的黏滑物质。对于一些海洋生物（像珊瑚、海胆和管状蠕虫）来说，这些生物膜发挥着重要的作用，能够有助于幼虫到成虫的转化。
在2014年1月9日的《Science》杂志上发表的一项最新研究中，加州理工学院（Caltech）的研究人员，首次描述了这种现象背后的机制，对细菌生物膜和海洋无脊椎动物变态之间所存在的关系，提供了一种解释。
这项研究集中在一种海洋无脊椎动物：华美盘管虫（Hydroides elegans），自从过去半个世纪它们来到美国水域后，这种动物已成为航运业的麻烦。这种入侵害虫的幼虫，在海洋中自由游动，直到它们接触到生物膜覆盖的表面，例如岩石或浮标——或者船体。管状蠕虫幼虫在接触到生物膜后，它们就会发育为固定在表面的成虫，在其身体周围形成坚硬的、矿化的“管子”。这些管子，往往覆盖在船底，能够在水中产生额外的阻力，大大增加了船舶的燃料消耗。
这项研究的共同作者、霍华德休斯医学研究所（HHMI）的研究员、生物学和地质生物学教授Dianne Newman说：“对于船舶来说，管状蠕虫是多余的和具有破坏性，被称为生物污染，这是一个非常糟糕的问题。例如，生物污染每年造成美国海军数百万美元的损失。”本文的共同第一作者、Newman实验室的博士后Nicholas Shikuma说：“虽然几十年来，研究人员已经知道生物膜是管状蠕虫发育所必需的。但是，对于细菌如何能够诱导这个过程的发生，还没有一个机械学解释。我们想提供这个解释。”
Shikuma从研究藤黄紫假交替单胞菌（Pseudoalteromonas luteoviolacea）开始，这是一种已知能诱导管状蠕虫和其它海洋无脊椎动物变态（metamorphosis）的细菌。在早期的工作中，本研究的共同作者、夏威夷大学曼欧亚分校的Michael G. Hadfield发现，一组P. luteoviolacea基因是管状蠕虫变态是必需的。靠近这些基因，Shikuma发现了一组基因，能够产生一种类似于噬菌体病毒尾部的结构。
这些噬菌体病毒的尾部，包含三个主要成分：一个抛射管，一个与管子配套的可收缩鞘，还有一个锚定基板。同时，噬菌体把这些尾部成分当作注射器使用，将其遗传物质注射入宿主细菌细胞中，感染并最终杀死它们。为了确定P. luteoviolacea中的噬菌体尾状结构是否在管状蠕虫变态中发挥作用，研究人员有系统地删除了编码这三个成分的基因。
细菌的电子显微镜图像证实，这种注射器样结构也存在于“正常的”P. luteoviolacea细胞中，但是在三种结构成分编码基因被删除的细胞中，却不存在这种结构；这些基因被称为变态相关的可收缩结构（mac）基因。研究人员还发现，缺乏mac基因的细菌细胞，不能诱导管状蠕虫变态。此前，注射器状结构已经在其它细菌物种中被发现，但是在这些物种中，尾状结构被用来杀死其它细菌或昆虫。Shikuma称，这项新研究首次证明，这种结构有益于另一种生物。
为了在完整的细菌内观察这些独特结构的三维排列，研究人员利用一种称为电子低温断层摄影术（electron cryotomography）的技术，将细菌细胞瞬间冷冻在很低的温度中。这使得他们能够在“近自然”状态下，观察细胞及其内部结构。
本文的共同第一作者Martin Pilhofer，利用这种可视化技术，在P. luteoviolacea中发现了一些关于噬菌体尾状结构的独特事物；这些结构并不是作为单个船体附属体存在，而是连接在一起形成一种多刺的阵列。Shikuma说：“在这些阵列中，大约100个尾状结构困在一个六方形晶格中，形成一个具有豪猪样外表的复合体。它们都面朝外，静静地准备射击。我们相信，这是噬菌体尾状结构阵列的第一次观测。”
最初，阵列被压缩在每个细菌中；然而，细胞最终破裂，杀死细菌，阵列展开。研究人员推测，此时，阵列的单个突起，都向外朝管状蠕虫幼虫射击。随着这次攻击，幼虫开始它们到成年的发育转型。
共同作者Jensen说：“这是一个巨大的惊喜，引起变态的原因是这样一种精心制作的、组织良好的‘注射机’。谁会猜想到，信号是通过一种几乎与细菌细胞本身一样大的装置进行传递？它仅仅是一种奇特的结构，在细胞内一个‘负荷的’但却紧密的损毁状态中合成，然后膨胀的像一把伞，开放到一种更大的注射器网络中，为注射做准备。”
Shikuma说，虽然这项研究证实，噬菌体尾状结构可以引起蠕虫变态，但是，尾状结构和管状蠕虫之间的相互作用的本性仍然是未知的。“我们下一步想确定，是否变态是由管状蠕虫幼虫组织注射引起的，以及，是否机械作用被触发，或是否细菌被注射入一种化学成形素。”他和他的同事们还想确定，mac基因及其编码的尾状结构，是否也会影响其他海洋无脊椎动物，例如珊瑚和海胆，这些动物也依赖于P. luteoviolacea生物膜进行变态。
对这一过程的了解，有一天也许会有助于减少P. luteoviolacea生物膜污染对船体造成的经济损失。Newman说，而应用还有很长的路要走，推测是否可以利用变态诱导来提高有益海洋无脊椎动物的水产养殖产量和促进珊瑚礁生长，也是非常有趣的事情。（生物通：王英）
生物通推荐原文摘要：
Marine Tubeworm Metamorphosis Induced by Arrays of Bacterial Phage Tail–Like Structures
Abstract: Many benthic marine animal populations are established and maintained by free-swimming larvae that recognize cues from surface-bound bacteria to settle and metamorphose. Larvae of the tubeworm Hydroides elegans, a significant biofouling agent, require contact with surface-bound bacteria to undergo metamorphosis; however, the mechanisms that underpin this microbially mediated developmental transition have been enigmatic. Here, we show that a marine bacterium, Pseudoalteromonas luteoviolacea, produces arrays of phage tail–like structures that trigger metamorphosis of H. elegans. These arrays comprise about 100 contractile structures with outward-facing baseplates, linked by tail fibers and a dynamic hexagonal net. Not only do these arrays suggest a novel form of bacterium-animal interaction, they provide an entry point to understanding how marine biofilms can trigger animal development.
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