微生物生长减缓或暂停状态的分类
我们熟知的微生物生长减缓或暂停状态包括静止、休眠、饥饿诱导的静止期，以及如抗生素中的持久性状态。在理解这些以及其他类似状态时，我们面临一些挑战。一个主要的难点是确定一个群体中是否真的没有细胞在分裂，因为通常不会对单个细胞进行足够长时间的监测。在许多情况下，要确定需要监测多长时间才能观察到细胞的变化还是一个未解之谜。例如，在1°C的条件下，可能需要长达两周时间的显微镜摄像才能观察到酵母细胞的大小变化。
另一个挑战是，即使在由相同细胞组成的群体中，也可能存在多种不同的生长减缓或暂停状态，这些状态只有在单细胞层面上才能被检测出来。比如，在饥饿状态下的酵母细胞同源群体中，一些细胞可能处于静止状态，而其他细胞可能正在形成孢子。通过单细胞层面的测量，最近的研究发现，即使在同源群体中，也存在着一个连续的非生长状态梯度。这意味着每个细胞都展现出独特的可量化表型。一个关键问题是，不同微生物状态之间的相关性有多大，因为看起来不同的两种状态实际上可能是相同的。特别是在休眠方面，作为真核生物休眠孢子，即使在没有任何营养物质的情况下，也能表达基因。
同样，通过测量遇到抗生素的单个大肠杆菌细胞的再生长能力，研究人员最近提出了“休眠深度”这一概念，将死亡与活跃但不生长的状态联系起来。在这种情况下，休眠深度越深，细胞在抗生素消失后恢复和重新生长所需的时间就越长；休眠深度太深可能意味着细胞永远无法恢复（即死亡）。
休眠中的生命动态
普遍的观点是休眠孢子中不存在任何细胞内活动。这种看法主要基于两个因素：一是孢子缺乏外部能量来源，如营养；二是某些孢子的细胞质呈玻璃状，这限制了蛋白质的运动和化学反应。支持这种观点的一个论据是，与分裂的微生物细胞相比，处于静止期或休眠期的微生物的基因表达水平大幅降低。虽然长期以来人们认为休眠状态是一种完全不活跃的状态，但目前并没有确切的证据来证明休眠孢子完全停止了基因表达或其他所有细胞内活动。这主要是因为休眠孢子内部发生的生化反应非常罕见且缓慢，难以被精确测量。但这里有一个关键问题：为什么我们要区分极其罕见的事件和根本不存在的事件？事实上，不常发生并不意味着无关紧要。在休眠孢子中可能发生着极为罕见的过程，这些过程虽然缓慢，但在足够长的时间内可能会消耗掉孢子所储存的、用于萌发的资源，如核苷酸和ATP。因此，当环境中出现营养物质时，这些罕见的过程可能会阻止孢子在未来发芽。
最近的研究揭示了决定休眠孢子寿命、发芽概率和发芽时间的多种因素。如前文所述，一个重要的发现是休眠酵母孢子（S.cerevisiae）的基因表达能力与孢子的寿命（在休眠期间保持活力）和发芽倾向有关。相对地，另一项研究发现，休眠的枯草芽孢杆菌孢子，由于其细胞内充满了钾离子（K+）和二苦味酸，无法进行基因表达、代谢或储存ATP，这阻止了细胞内的活动。因此，由于缺乏ATP，枯草芽孢杆菌孢子不能主动感知环境来检测营养物质的出现。
然而，这些孢子可以通过受体被动地与L-丙氨酸（一种发芽所需的关键营养物质）结合来引发发芽过程。这个过程包括单价离子和二苦味酸从受体中排出，水分进入受体，从而实现基因表达、代谢活动，并最终促使孢子发芽。这个被动过程被形象地描述为：细胞外的L-丙氨酸与其受体结合，无需使用ATP，就可以从孢子中“挤出”钾离子，就像从气球中挤出空气一样，而孢子本身处于被动状态。在排出足够多的钾离子后，枯草芽孢杆菌孢子终于可以开始基因表达并发芽。
这一发现对枯草芽孢杆菌孢子的被动特性提出了一些概念性的问题，这些问题与那些维持ATP消耗过程的生物（如S.cerevisiae）的休眠孢子不同。通常认为，具有活性过程的休眠孢子的寿命是有限的，因为这些活性过程会耗尽其储存的资源。然而，考虑到其进化相关性，我们期望这些休眠孢子能在长时间内保持活力。问题是，如何使具有活跃过程的休眠孢子保持较长寿命？通过定量方法来研究并定义这些较少被研究的孢子（例如生活在冰川和海洋沉积物中的孢子）的休眠状态，将加深我们对休眠现象的理解。
解除休眠的动力
当营养物质重新出现时，孢子会开始发芽。但是，引发孢子萌发的具体细胞内步骤是什么？为何在同一种群中，有些孢子能够萌发而另一些却不能？最近的研究揭示了发芽过程的一些不寻常的特点。一个关键的发现是，对于枯草芽孢杆菌孢子来说，那些在饥饿状态下形成较晚的孢子，在营养物质出现时萌发的可能性较低。相比之下，较早形成的孢子来自于在饥饿过程中分裂次数较少的细胞。因此，相比较早形成的孢子，这些较晚形成的孢子拥有较少的萌发所需因子（如丙氨酸脱氢酶），因为它们是由在细胞分裂过程中耗尽或稀释了更多这些因子的细胞产生的。此外，通过荧光素酶发光法补充研究推断了枯草芽孢杆菌孢子内部储存的资源量。这表明，孢子在遇到L-丙氨酸时会在不同时间萌发，这是因为孢子拥有不同数量的辅助萌发资源，如储存的氧化还原电位，但不包括ATP。
到目前为止，研究主要集中在休眠孢子的自主萌发倾向上。一个有趣的未来研究方向是探讨孢子是否能够相互帮助萌发，类似于土壤中的Myxococcus xanthus。这种菌株的萌发孢子能分泌并感知诸如甘氨酸甜菜碱之类的“萌发因子”，从而帮助同一种群中的其他孢子萌发。这种相互作用的研究可能为我们理解孢子萌发的过程提供更多的洞见。
无孢子微生物
我们已经讨论了孢子的休眠和萌发，但那些无法或不产生孢子的微生物是如何在缺乏营养物质的条件下保持活力的呢？这些微生物，就像休眠孢子一样，也会调整它们的细胞内过程，可能是为了减少能量消耗。举例来说，生长受限的铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）表现出缓慢但可检测的细胞内活动，这是由于它们的RNA聚合酶活性降低，但并非完全消失。此外，一些生长受限的细菌会缓慢合成蛋白质和代谢物，包括ATP。目前的研究重点是确定这些分子和过程中哪些对于细胞群在足够养分出现时重新进入快速生长阶段至关重要。
一个新兴的研究领域是，不同的生长表型在同源饥饿群体中的共存。这种共存可能为种群提供一种对冲策略：当营养物质出现时，饥饿种群中的一些细胞以不同的表型状态存在，这样做可以延长其生存时间并更快地恢复快速生长。例如，在生长停滞的同源群体中，只有部分细胞表现出缓慢生长；大肠杆菌或枯草杆菌群体中的细胞在静止期或休眠期内合成蛋白质的量不同，取决于细胞内鸟苷酸核苷酸（ppGpp）的浓度；某些饥饿状态下的枯草杆菌细胞不产生孢子，而是形成耐药性较强的茧状结构，每隔大约4天分裂一次，能存活数月。此外，通过在微流体通道中监测单个大肠杆菌细胞的生长和代谢基因表达，研究人员发现，细胞间营养代谢基因表达的变异产生了多种对冲策略。例如，lac操纵子基因表达的变异可能导致一些大肠杆菌在环境转换时进入特别长的滞后期。
研究还表明，饥饿细胞的存活时间主要取决于其在饥饿过程中储存的分子数量和类型。例如，一种生长受限的光合细菌Rhodopseudomonas palustris体内储存的ATP量是其生存时间的关键因素。由于生命必需的分子并非只有一种，确定哪组分子真正决定了生长受限、饥饿的细胞在营养物质出现时能否恢复生长变得非常重要。另一个有前途的研究方向是探索饥饿微生物是如何维持彼此的活力的。例如，大肠杆菌在静止期通过“食人新陈代谢”——消耗死亡细胞释放的分子——来生长和分裂，这使得细胞群能够维持活细胞的时间比单个细胞自主维持的时间更长。
极端温度下的生命动态变化
微生物广泛分布于地球上各种寒冷的环境，从海底到冰川不等。它们甚至在城市、公园和沙漠等地，在冬季和夜间也必须忍受严寒。目前，科学家正在实验室中培养从加拿大北极地区和永久冻土等极寒环境中分离出的微生物，这有助于我们开始理解许多嗜低温微生物的生理机能。研究微生物如何适应寒冷环境的一个方法是通过研究在极低温度下的模式生物。例如，通过对酵母菌S.cerevisiae单个细胞进行长达数月的监测并结合数学模型，研究人员最近发现，在0°C以上和10°C以下的每个温度下，酵母菌都有一个生长速度的低速和高速极限，这意味着存在最短和最长的可能倍增时间。这项研究发现，在这些寒冷温度下，酵母菌的生存能力和速度极限源自于两个相互竞争的过程：活性氧（ROS）的产生和减少。
这项研究指出，酵母减少ROS的速度主要取决于它们合成抗氧化剂所需的时间，而这又依赖于基因表达速度，即转录和翻译所需的平均时间。值得注意的是，ROS含量并不影响基因表达速度：无论ROS含量高低，酵母的基因表达速度保持一致。令人感兴趣的是，最近的研究也证实，在阻碍大肠杆菌和酵母生长的高温条件下，ROS在决定细胞存活率方面起着至关重要的作用。例如，在高温下，大肠杆菌会停止生长并触发所谓的“热熔断”反应——MetA（合成蛋氨酸所需的酶）的降解——暂停蛋氨酸和其他分子的合成，而这些分子要么会产生ROS，要么会被ROS破坏。有趣的是，即使没有任何细胞，生长培养基中的典型成分（如氨基酸和矿物质，但不包括糖）也能产生ROS，进一步强调了ROS在极端温度条件下的重要性。
这些发现表明，细胞快速减少ROS的能力——在ROS引起的损伤积累到临界值之前减少ROS——是它们在极端温度下生存的重要甚至可能是主要的决定因素。这些发现还提示，类似于前面提到的枯草芽孢杆菌孢子，氧化还原电位是孢子发芽能力的一个重要指标。一个非常有前景的研究方向是量化ROS如何影响全球气候变暖背景下微生物群落的生态动态和生存策略。
相关新闻推荐
2、食品接触表面的微生物污染长期存在，如何筛选出代表性抗菌化合物的消毒剂