2024年10月4日，瑞士纳沙泰尔大学的Ricardo A.R. Machado博士（通讯作者）在Cell Reports上发表了一篇题为“Bacterial bioluminescence is an important regulator of multitrophic interactions in the soil”的研究论文。研究表明，发光细菌不仅是美丽的自然现象，还在地下生态系统中发挥重要作用。研究团队通过基因修饰和比较分析，首次揭示了发光细菌在调节生物与非生物胁迫中的多功能性。通过实验证明，发光对植物、昆虫和线虫等不同营养级生物产生显著影响，涉及生物共生、抗氧化压力和植物生长调节等多方面。研究表明，发光细菌通过这种复杂机制来影响土壤中的多营养级相互作用。
研究背景：细菌的生物发光（bioluminescence）现象在水生生态系统中已有较深入的研究，但其在土壤生态系统中的功能尚未被充分探讨。发光细菌Photorhabdus属细菌与线虫共生，可通过线虫感染土壤中的昆虫，导致昆虫死亡并发光。该研究旨在探索这种发光现象对土壤生态系统中其他生物的影响，尤其是植物、昆虫和线虫之间的多营养级相互作用。
一、细菌发光调节植物生长：研究表明，暴露于Photorhabdus属细菌的生物发光会显著影响植物的生长。将玉米根部暴露在发光环境下，植物的生物量显著减少，尤其当发光源靠近根部时效果更为明显（图5A、5E）。基因表达分析显示，虽然植物的转录组和代谢组对发光的反应较为微弱，但某些植物防御代谢物，如2-(2,4-二羟基-7-甲氧基-1,4-苯并恶嗪-3-酮)-β-D-葡糖苷（DIMBOA-Glc）和2-β-D-葡糖苷氧基-7-甲氧基-1,4-苯并恶嗪-3-酮（HMBOA-Glc），在叶片中受到发光的影响（图S21和S22）。这表明发光对植物代谢有一定的调节作用。
二、发光影响根部害虫生长：实验发现，Photorhabdus属细菌的发光对根部害虫Diabrotica balteata（甘薯蚁象）的生长具有负面影响。甘薯蚁象在进食暴露于发光的植物时生长减缓，而叶部害虫Spodoptera frugiperda（草地贪夜蛾）的生长未受到显著影响（图5B、5F）。这一结果表明，发光细菌可能通过改变植物的生理来影响未来的昆虫宿主，特别是对根部害虫的生长抑制效果，突显了发光在植物防御中的潜在作用。
三、发光保护线虫免受食腐者攻击：研究还发现，发光在土壤中作为警戒信号，能够保护被线虫感染的昆虫尸体免受食腐性捕食者的攻击。实验表明，Anthia sexmaculata（六星蚁步甲）对感染Photorhabdus发光细菌的昆虫尸体表现出强烈的回避行为，而对感染不发光突变菌株的昆虫更有攻击倾向（图6C、6D）。这表明发光不仅能调节多营养级生物间的相互作用，还能作为警告信号，保护发育中的线虫免受捕食者的威胁。
四、发光增强细菌抗氧化应激能力：研究通过对比不同突变菌株，发现发光能够增强Photorhabdus细菌的抗氧化胁迫能力。在过氧化氢（H₂O₂）介导的氧化胁迫下，发光水平高的菌株表现出更强的生长能力，而不发光的突变菌株对氧化胁迫的耐受性明显下降（图4A、4B）。进一步研究表明，发光能够直接降解过氧化氢，提供了发光作为抗氧化机制的重要证据，解释了其在细菌生存中的关键作用。
创新点和意义：该研究通过多种实验方法首次证明了发光不仅可以作为防御机制，还通过影响植物和昆虫的生长来调节地下生态系统。发光细菌能够改变植物的基因表达，进而影响根部害虫的生长。这一发现为理解地下生物发光的进化和生态功能提供了新视角，具有重要的生态学意义。不足和展望：尽管该研究揭示了发光对地下生态系统的重要调控作用，但仍有一些未解之谜需要进一步研究，特别是在发光对植物生长的具体机制以及植物如何感知这种光的路径上。研究团队建议未来通过更详细的遗传学实验来探讨植物响应发光的分子信号通路，并进一步探讨其对昆虫与线虫关系的潜在影响。研究技术总览：这项研究使用了基因修饰、植物转录组和代谢组分析、氧化应激耐受性测试、发光测量和行为实验等技术，全面探讨了发光细菌在不同营养级生物中的多重作用。微昆界投稿邮箱: weikunjie2024@163.com科学评论员：叶方源-中国计量大学生科院教师；柳卓昀-中国计量大学生科院在读本科生