本方案描述了一种在真菌菌丝上培养并利用共聚焦显微镜和电子显微镜对细菌生物膜进行定性分析的新方法。
方法文章
本方案描述了一种在真菌菌丝上培养并利用共聚焦显微镜和电子显微镜对细菌生物膜进行定性分析的新方法。
细菌生物膜常在真菌表面形成,并可能参与多种细菌-真菌相互作用过程,例如代谢协作、竞争或捕食。生物膜的研究在环境科学、食品生产和医学等多个生物学领域中具有重要意义。然而,由于研究难度较大,目前针对此类细菌生物膜的研究仍较少。文献中描述的大多数用于定性和定量分析生物膜的方法,仅适用于在非生物表面或均一且较薄的生物表面(如单层上皮细胞)上形成的生物膜。
虽然激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)常用于分析 原位 和 体内 生物膜,当该技术应用于真菌菌丝上的细菌生物膜时,由于菌丝网络的厚度和三维结构,会变得极具挑战性。为克服这一局限,我们开发了一种将显微技术与限制真菌菌落中菌丝层累积的方法相结合的实验方案。利用该方法,我们能够在多个尺度上通过激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电子显微镜(SEM)研究细菌生物膜在真菌菌丝上的发育过程。本报告详细描述了该实验方案,包括微生物培养、细菌生物膜形成条件、生物膜染色以及LSCM和SEM成像。
真菌和细菌在大多数陆地环境中共同栖息,因此具有大量相互作用的机会。由于其多样性和广泛存在性,这些相互作用在生物技术、农业、食品加工和医学等多个生物学领域中具有重要意义1,2分子相互作用需要一定程度的接近,以允许参与者之间的交换;在某些情况下,参与者之间必须发生物理结合才能实现功能性相互作用。3细菌与真菌之间一种常见的物理关联是在真菌表面形成细菌生物膜4细菌细胞与真菌菌丝之间的这种直接接触促进了密切的相互作用,这些相互作用参与了多种生物学过程。例如,在医学领域,对生物膜形成的研究所涉及的 铜绿假单胞菌 关于机会性真菌病原体 Candida albicans 可为生物膜形成与毒力之间的关联提供见解5在农业领域,研究表明,当植物促生根际细菌和生防细菌与真菌共同形成混合生物膜时,其作用效率显著提高。例如, Bradyrhizobium elkanii 已增强 N2与……结合时的固定活性 平菇 在混合生物膜中6最后,在生物修复中,细菌-真菌混合生物膜已被用于污染场地的修复。7,8.
激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)特别适用于生物膜的研究,因为它能够在最少预处理的情况下对活体水合生物膜进行三维观察,从而保持生物膜的结构与组织状态。因此,通过LSCM进行的生物膜分析具有很高的信息量,尤其适用于确定生物膜形成的动态过程以及检测从初始黏附到成熟生物膜发育过程中的各个特征阶段9,10。该方法也特别适合用于观察生物膜的结构与基质11,12,或定量分析生物膜的大小13,14。尽管该技术适用于研究非生物表面或较薄生物表面的生物膜,但在丝状真菌菌落上研究细菌生物膜仍极具挑战性。事实上,大多数丝状真菌在培养过程中会形成厚实、复杂且具有三维结构的网络。即使共聚焦显微镜能够对较厚样本成像,激光穿透深度和荧光信号的衰减通常会导致超过50 µm深度后的图像质量显著下降15。此外,由于真菌菌落缺乏刚性,操作微生物时极易扰动其上的生物膜结构。由于样本厚度限制,目前对真菌菌丝上细菌生物膜的显微分析通常仅限于真菌菌落的一小部分区域,因而仅包含少量菌丝16,17,18。这些因素限制了我们对真菌菌落上生物膜分布情况的全面描述,若生物膜在真菌菌落内部呈非均质分布,则可能引入分析偏差。
为克服上述困难,我们报道了一种在真菌菌丝上培养和分析细菌生物膜的方法。该方法已应用于研究荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens BBc6)在外生菌根担子菌亮白锁瑚菌(Laccaria bicolor S238N)菌丝上的生物膜形成过程。这两种森林土壤微生物此前已被描述可形成类似混合生物膜的结构19,20。本方法可便捷地推广应用于其他丝状真菌-细菌体系。本文所述方法结合了一种可培养极薄真菌菌落的真菌培养技术,并辅以激光共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电镜(SEM)成像。该组合使我们能够获得两种微生物相互作用的微米尺度(µm范围)和介观尺度(mm范围)图像,从而实现对生物膜的定性表征。我们还证明,样品可通过扫描电镜观察,从而在纳米尺度(nm范围)对生物膜结构进行分析。
1. 细菌和真菌培养物的制备
2. 在真菌菌落上制备细菌的 N 体外 生物膜
3. 生物膜形成的激光扫描共聚焦显微镜分析
4. 电子显微镜分析
真菌培养与生物膜制备的整体示意图如下所示 图1该培养方法使我们能够获得厚度为20至50 µm、包含数层菌丝的真菌菌落,从而可利用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)对水合状态下的活体生物膜进行微观和介观尺度的分析。. 该方法的应用使得获取高质量的图像成为可能 P. fluorescens BBc6 生物膜 L. bicolor 生物膜形成过程中的菌丝图2-4).
生物膜的介观尺度分析表明,P. fluorescens BBc6 在 L. bicolor S238N 菌丝上的生物膜分布具有异质性(图 2 和 图 3)。介观尺度分析还实现了对生物膜形成过程的动态追踪(图 3),从初始阶段仅有少量细菌附着于菌丝(图 3a),到最终形成厚实且成熟的生物膜结构(图 3b)。介观尺度图像的高分辨率使我们能够在同一图像上进行微观尺度分析,从而获得菌落的精细结构(图 3c–d)。
结合特异性标记的微尺度分析使我们在生物膜表征方面更进一步。此处应用了可标记大多数蛋白质类别的SYPRO Ruby23对样品进行染色(图4),结果显示细胞外基质中存在蛋白质。
最后,通过样品脱水和镀膜后进行扫描电镜成像,获得了生物膜结构的更多细节(图5)。扫描电镜成像可达到纳米级分辨率,从而能够观察到基质结构。

图1:真菌培养与生物膜制备的整体示意图。 本图描述了该方法的主要步骤,从微生物培养到样品分析。具体细节详见实验方案。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2:BBc6生物膜在真菌菌落上的分布情况。 样品在相互作用18小时后以10倍放大倍数成像。该图像是通过三维共聚焦显微镜图像的二维最大强度投影获得。图中灰色网格表示马赛克成像位置。L. bicolor 菌丝用刚果红染色(红色),细菌则标记了GFP(绿色)。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:L. bicolor 菌丝上 BBc6 生物膜形成的早期与晚期阶段。 该图像通过三维共聚焦显微镜图像的二维最大强度投影获得。成像在40倍放大倍数下进行。(a)相互作用2小时后的生物膜分布。(b)相互作用14小时后的生物膜分布。(c)(a)中白色矩形区域的放大图。(d)(b)中白色矩形区域的放大图。真菌菌丝用刚果红染色(红色),细菌则标记GFP(绿色)。请点击此处查看该图的高清版本。

图 4:BBc6 生物膜在 L. bicolor 菌丝上的基质染色。(a)相互作用 16 小时后的生物膜。(b)(a)中白色矩形区域的放大图。成像在 40 倍放大倍数下进行,图像通过三维共聚焦显微图像的二维最大强度投影获得。细菌用 GFP 标记(绿色),真菌用 Fun1 染色(深绿色),蛋白质用 S. Ruby 染色(红色)。请点击此处查看该图的放大版本。

图5:BBc6在L. bicolor菌丝上形成的生物膜的扫描电镜成像。 扫描电镜成像条件为2360倍放大,EHT:1 kV。成像前,样品在电镜腔室内缓慢冷冻干燥,并镀上铂层。绿色箭头指示细菌生物膜,黄色箭头指示真菌菌丝。请点击此处查看该图的放大版本。
细菌生物膜存在于多种环境中,自20世纪50年代以来已被广泛研究,由此发展出多种分析方法24。用于定量和监测生物膜的经典方法包括微量滴定板法,以及目前应用最广泛的结晶紫(CV)染色法。这些方法操作快速、成本低且易于处理25,特别适用于定量总生物膜生物量,或进行活性及基质定量分析。另一方面,"组学"方法在生物膜研究中也具有重要价值,可实现对生物膜的定量和功能分析26,27。尽管微量滴定板法和"组学"方法具有诸多优势,但这些技术仍无法捕捉生物膜的若干关键特征,从而限制了对这一过程的全面理解。这些特征包括基质结构、细菌菌落构型、细胞/细胞相互作用以及定植模式,而这些正是理解生物膜功能及其形成动态的关键数据。尽管显微镜技术具备捕捉上述特征的能力,但针对丝状真菌表面细菌生物膜的显微分析仍十分有限。这主要是由于丝状真菌的生长特性常形成厚实、复杂且具有三维网络结构的菌落。细菌在真菌表面形成生物膜的现象在多种环境中普遍存在,并在多个领域中具有重要意义4(例如,医学、农业和环境领域);因此,开发新方法以促进此类研究至关重要。为此,我们结合了一种生成极薄真菌菌落的方法与细菌生物膜的显微成像技术。此外,我们还提出了一套用于定性分析这些生物膜的显微工具。该方法的成功关键在于能够制备出极薄的菌丝菌落,并选用合适的染料。以下将对此进行详细讨论。
由于生物膜结构复杂,理解其功能需要采用多尺度研究方法28,29在不同尺度下分析生物膜的分布模式、细菌菌落结构以及基质的结构与组成即, 介观尺度和微观尺度)。此外,纳米级分辨率能够揭示细胞/细胞间的物理相互作用以及基质的纳米结构。因此,所建立的方法可便捷地实现对真菌菌落上形成的细菌生物膜进行多尺度分析。
在大多数研究中,对生物膜的激光共聚焦显微镜(LSCM)分析通常局限于微观尺度,而中观尺度的分析通常采用光学相干断层扫描技术30,31,32。本文所介绍的方法能够利用新一代高分辨率激光共聚焦显微镜,实现对同一样品区域甚至同一图像同时进行微观和中观尺度的分析(图3)。因此,避免了使用不同方法在不同尺度下采集数据所带来的整合问题。
这一系列分析方法能够同时获取真菌菌落上生物膜的分布情况、细菌菌落沿发育中生物膜的空间结构以及胞外基质的结构。中尺度分析显示,细菌生物膜在真菌菌落上的分布呈异质性(图2 和 图3)。若仅采用只能对真菌菌落局部区域成像的实验方案,则无法获得此类观察结果,因为局部区域未必能代表整个菌落的实际情况。因此,尽管中尺度分析常被忽视,但它能够提供有关生物膜分布模式的重要信息。
最后,所开发的方法可用于结合不同的显微技术分析样品,包括扫描电子显微镜。此处采用扫描电子显微镜(SEM)以达到纳米级分辨率,并获取生物膜内细菌的空间分布信息。该方法在薄层真菌菌落上表现良好,但扫描电子显微镜仅能实现表面成像。与激光共聚焦显微镜(LSCM)不同,扫描电子显微镜需要对样品进行脱水处理,且大多数情况下还需镀上导电金属层。若脱水过程操作不当,可能会改变生物结构,因此该步骤可能需要优化。本研究中采用缓慢冷冻干燥法进行样品脱水33。尽管如此,将激光共聚焦显微镜与扫描电子显微镜结合应用于同一样品,可在样品的相同位置实现关联显微成像。
尽管具有上述优点,该方法仍存在一些局限性。首先,它可能不适用于所有类型的真菌。事实上,该培养方法是针对在固体培养基表面呈放射状扩展的真菌而开发的。该方法可能不适用于主要形成气生菌丝的真菌例如,镰刀菌属(Fusarium sp.))或用于主要在琼脂内扩散的微需氧真菌时,也可能存在问题。此外,降解玻璃纸的真菌同样可能带来困难(例如., Trichoderma sp.). 其次,需要注意的是,染色策略至关重要,必须谨慎选择染色剂,因为染色剂不得干扰生物膜的结构。例如,我们观察到Calcofluor White会导致生物膜部分破坏(数据未显示),这可能是由于该染色剂的高pH值所致。此外,某些染料会产生不均匀的染色效果(例如,刚果红),而另一些则产生均一染色(例如,使用WGA凝集素进行细胞壁染色),导致图像质量不均一。此外,需要注意的是,某些染料可能并非完全特异。例如,WGA不仅可染色真菌细胞壁,还可染色革兰氏阳性菌细胞壁中的N-乙酰神经氨酸,以及革兰氏阳性菌和阴性菌在生物膜形成过程中产生的黏附素34,35因此,建议使用荧光蛋白标记的细菌和/或真菌,以避免多重染色。若使用多种染料,需确保它们之间无化学干扰,且发射光谱不应重叠。
中尺度分析需要扫描较大的区域,因此使用激光共聚焦显微镜(LSCM)可能耗时较长(根据样品厚度不同,通常需要40分钟至1小时),从而成为大量样品分析的瓶颈。然而,可根据所需数据的类型进行相应调整。通过降低图像质量,可以缩短采集时间并减小图像尺寸。例如,在分析生物膜的整体分布时,无需高分辨率。
最后,在选择将Z轴层叠数据以二维或三维投影形式展示时,需要考虑一些局限性。二维投影是总结数据的有效方式,但会丢失深度信息,且重叠的结构会变得不可见。而三维投影虽然可以从不同视角进行可视化,但在空间结构复杂的情况下,通常渲染效果较差。
总之,我们报道了一种在结构水平上表征菌丝上细菌生物膜的方法。该方法可拓展应用于其他领域。事实上,此方法可用于对在真菌菌丝上形成的细菌生物膜进行功能或化学特性分析。由于存在多种现有的荧光报告系统,激光共聚焦显微镜(LSCM)分析可实现多种应用目的29例如,荧光显微镜可用于监测pH梯度36 或生物膜中的分子扩散37此外,该方法还可用于多物种生物膜中的群落分析。例如,荧光 原位 针对特定细菌群的杂交技术在研究多物种生物膜中特定细菌分布时尤为有用38,39最后,可使用多种荧光染料来表征生物膜的基质组成。21此处使用Sypro染色剂对蛋白质进行靶向,该染色剂可染色多种蛋白质,包括基质蛋白(图4),但其他染料也可用于可视化其他重要的基质成分,如胞外多糖或细胞外DNA。有趣的是,所有这些分析均可利用所述方法在介观尺度上进行。由于激光共聚焦显微镜(LSCM)可在活体样品上实施,因此还可结合coverwell小室实现延时成像,尤其适用于较薄的真菌菌落。这一选项尤为值得关注,因为生物膜的形成是一个复杂且动态的过程。最后,从定量分析的角度来看,该方法可通过在介观尺度图像上实现自动定量分析,提高定量结果的准确性,从而克服生物膜异质性及统计学相关问题29.
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由法国国家科研署通过卓越实验室ARBRE项目(ANR-11-LABX-0002-01)、基因组科学计划中的植物-微生物互作科学重点研究领域以及美国能源部科学办公室生物与环境研究办公室资助。橡树岭国家实验室由UT-Battelle有限责任公司根据合同DE-AC05-00OR22725为美国能源部管理。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 6 孔 Falcon 组织培养板 | Fisher Scientific | 08-772-33 | 用于 2.2 &和 3.1 |
| 刚果红 | Fisher Scientific | C580-25 | 用于 3.1.4.1 |
| FUN 1 细胞染色剂 | 赛默飞世尔科技 | F7030 | 用于 3.1.4.1 |
| 麦芽凝集素,Alexa Fluor 633 标记物 | 赛默飞世尔科技 | W21404 | 用于 3.1.4.1 |
| DAPI 溶液 | 赛默飞世尔科技 | 62248 | 用于 3.1.4.2 |
| 碘化丙啶 | 赛默飞世尔科技 | P3566 | 用于 3.1.4.3 |
| FilmTracer SYPRO Ruby 生物膜基质蛋白染色剂 | 赛默飞世尔科技 | F10318 | 用于 3.1.4.4 |
| Fluoromount-G 封片剂 | Fisher Scientific | OB100-01 | 用于 3.1.7 |
| LSM780 Axio Observer Z1 | Zeiss | 用于 3.2.1 | |
| ZEN 2.1 lite black 软件 | 蔡司 | 用于 3.2.1 | |
| 高真空镀膜仪 Leica EM ACE600 | Leica | 应用于4个 | |
| GeminiSEM-FEG | Zeiss | 用于 4 |
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