The rhizosphere of aquatic plants is a habitat for cable bacteria  

水生植物根際是電纜細(xì)菌的棲息地  

來源：FEMS Microbiology Ecology, Volume 95, 2019, Article fiz062,

《微生物生態(tài)學(xué)快報》，第95卷，2019年，文章編號fiz062

 

摘要  

摘要指出電纜細(xì)菌（屬于脫硫桿菌科）在海洋和淡水沉積物中通過厘米級長距離電子傳遞耦合硫化物氧化和氧氣還原。水生植物通過根系釋放氧氣至根際，為電纜細(xì)菌提供理想生境。本研究通過實驗方法探究淡水植物L(fēng)ittorella uniflora根際電纜細(xì)菌的活性、豐度和空間分布。熒光原位雜交（FISH）結(jié)合氧敏感平面光極顯示，電纜細(xì)菌密度在根際氧化-缺氧過渡帶顯著高于同深度沉積物。掃描電鏡觀察到電纜細(xì)菌沿根毛分布。電勢測量顯示根系周圍厘米級橫向電場，表明電纜細(xì)菌活性。FISH還發(fā)現(xiàn)電纜細(xì)菌存在于水稻（Oryza sativa）、Lobelia cardinalis和Salicornia europaea根際。綜上，電纜細(xì)菌與不同生長形式和水生生境植物的互作表明其與植物根系的關(guān)聯(lián)可能是水生植物根際的普遍特性。  

 

研究目的  

研究目的包括：(1) 驗證電纜細(xì)菌在水生植物根際（尤其是淡水植物L(fēng)ittorella uniflora）的活性、豐度及空間分布；(2) 探究電纜細(xì)菌與植物根系的互作機(jī)制及其在根際硫循環(huán)中的作用；(3) 通過多物種（水稻、Lobelia cardinalis、Salicornia europaea）驗證電纜細(xì)菌在水生植物根際的普遍性。  

 

研究思路  

研究思路包括：  

1. 實驗設(shè)計：  

   ? 使用"根際-沙盒"（rhizo-sandwich）裝置模擬根際環(huán)境，結(jié)合平面光極實時監(jiān)測氧氣動態(tài)（圖1）。  

 

   ? 設(shè)計"根系-沙盒"（root-sandwich）分離單根根際，用于FISH和電鏡分析。  

 

2. 植物與樣本：  

   ? 以Littorella uniflora為核心模型，擴(kuò)展至水稻、Lobelia cardinalis和鹽沼植物Salicornia europaea。  

 

   ? 沉積物取自丹麥溪流，經(jīng)厭氧預(yù)處理以消除生物擾動。  

 

3. 技術(shù)方法：  

   ? 氧氣動態(tài)：鉑卟啉光極膜結(jié)合熒光成像（圖1）。  

 

   ? 細(xì)菌定位：FISH靶向Desulfobulbaceae特異性探針（DSB706, FlidDSB194），結(jié)合DAPI染色（圖2-3）。  

 

 

   ? 形態(tài)觀察：掃描電鏡（SEM）驗證電纜細(xì)菌形態(tài)特征（圖4）。  

 

   ? 活性檢測：丹麥Unisense微電極測量橫向電勢梯度（圖5）。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1. 氧氣濃度分布：  

   ? 數(shù)據(jù)來源：圖1（L. uniflora）。  

 

   ? 結(jié)果：L. uniflora根際光照下氧濃度達(dá)90%（根束區(qū)）和44%（單根區(qū)），黑暗時降至12-30%；S. europaea根際光照下氧濃度達(dá)68%。  

 

   ? 意義：證實植物根系主動釋氧形成動態(tài)氧化-缺氧梯度，為電纜細(xì)菌提供電子受體。  

 

2. 電纜細(xì)菌空間分布：  

   ? 數(shù)據(jù)來源：FISH定量（圖2）和SEM觀察（圖4）。  

 

   ? 結(jié)果：  

 

     ? 電纜細(xì)菌在根際還原區(qū)（2–39 m/cm3）和頂部氧化區(qū)（2–10 m/cm3）富集，高于沉積物背景（7 m/cm3）（圖2A）。  

 

     ? SEM顯示電纜細(xì)菌與根毛緊密纏繞，具典型脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)（圖4B-D）。  

 

     ? 多物種根際（水稻、Lobelia cardinalis）均檢出電纜細(xì)菌（圖3）。  

 

   ? 意義：根際還原區(qū)是電纜細(xì)菌主要棲息位點，其空間分布依賴氧-硫梯度，且與植物根系存在物理互作。  

 

3. 電勢梯度：  

   ? 數(shù)據(jù)來源：Unisense微電極測量（圖5）。  

 

   ? 結(jié)果：距離L. uniflora根系21.5 mm處電勢增加1.5 mV（圖5B），8 mm處增加3.4 mV，垂向電勢隨深度增加（圖5C）。  

 

   ? 意義：橫向電勢梯度證實電纜細(xì)菌在根際進(jìn)行電子傳遞（硫化物氧化→氧氣還原），直接證明其代謝活性。  

 

4. 跨物種分布：  

   ? 數(shù)據(jù)來源：FISH（圖3）。  

 

   ? 結(jié)果：水稻、L. cardinalis和S. europaea根際均檢出電纜細(xì)菌。  

 

   ? 意義：電纜細(xì)菌與水生植物的互作具有跨物種和生境普遍性。  

 

結(jié)論  

1. 電纜細(xì)菌在水生植物根際普遍存在且具代謝活性，通過氧化硫化物保護(hù)根系免受毒性侵害。  

2. 電纜細(xì)菌主要定植于根際還原區(qū)，空間分布受氧-硫梯度驅(qū)動，與根毛形成緊密物理關(guān)聯(lián)。  

3. 電勢測量證實根際存在橫向電子傳遞（厘米級），擴(kuò)展了電纜細(xì)菌在非沉積物表層的活動認(rèn)知。  

4. 多物種驗證（沉水植物、挺水植物、農(nóng)作物）表明電纜細(xì)菌-植物互作是水生生態(tài)系統(tǒng)的共性特征。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

丹麥Unisense微電極的電勢測量數(shù)據(jù)具有以下核心研究意義：  

1. 直接驗證代謝活性：  

   ? 檢測到根系周圍厘米級的橫向電勢梯度（圖5B），首次證明電纜細(xì)菌在根際環(huán)境中通過長距離電子傳遞耦合硫化物氧化（電子供體）與根系釋放的氧氣（電子受體）。  

 

   ? 電勢隨深度增加（圖5C）反映垂向電子傳遞，與傳統(tǒng)沉積物表層的電纜細(xì)菌活動模式形成對比，揭示根際作為獨立電子傳遞熱點的獨特性。  

 

2. 空間分辨能力：  

   ? 微電極的高分辨率（50–100 μm步長）精確定位電勢變化與根系距離的關(guān)系（圖5B），證明電纜細(xì)菌在根際還原區(qū)（非根表）的活性最強(qiáng)，與FISH富集區(qū)（圖2A）空間耦合。  

 

3. 生態(tài)互作機(jī)制證據(jù)：  

   ? 電勢梯度與氧氣動態(tài)（圖1）的時空關(guān)聯(lián)表明：電纜細(xì)菌耐受根際氧梯度波動（如晝夜變化），通過電子傳遞維持硫化物氧化，可能緩解植物硫化脅迫。  

 

   ? 橫向電勢場暗示電纜細(xì)菌利用沉積物硫庫，擴(kuò)展了根際硫循環(huán)模型（圖6）。  

 

4. 技術(shù)創(chuàng)新價值：  

   ? 突破傳統(tǒng)垂向電勢測量局限，首次應(yīng)用于根際橫向電子傳遞研究，為復(fù)雜生境中電纜細(xì)菌活性的原位檢測提供范式。