我们提出了一种优化的扫描电子显微镜实验方案,用于观察包含植物和真菌生物量以及微生物群和生物膜的高度异质且脆弱的样品。该方案可用于描述微生物群空间结构的维度特征。
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我们提出了一种优化的扫描电子显微镜实验方案,用于观察包含植物和真菌生物量以及微生物群和生物膜的高度异质且脆弱的样品。该方案可用于描述微生物群空间结构的维度特征。
在宏观生态系统中,例如雨林或珊瑚礁,生物体的空间定位是我们理解群落生态学的基础。同样,在微生物世界中,微尺度生态系统也远非生物与栖息地的随机均质混合。获取微生物的空间分布对于理解微生物群的功能与生态至关重要,因为共存的物种更有可能相互作用并影响彼此的生理状态。
真菌种植蚂蚁群落的核心是一个跨界的微生物生态系统,这些蚂蚁培养担子菌门真菌作为营养来源。切叶蚁采集多种底物(主要为植物来源),由所培养的真菌代谢这些底物并形成一种海绵状结构,即"微生物园",其功能类似于体外消化系统。该“微生物园”由真菌菌丝交织而成,菌丝通过代谢底物不断生长,从而为具有特征性且已适应的微生物群落创造生态位并使其定殖。目前认为,这些微生物群落在底物降解和真菌生长过程中发挥重要作用,但其空间组织结构仍有待阐明。
本文中,我们描述了如何利用扫描电子显微镜(SEM)以前所未有的细节研究不同培菌系统中培菌蚁的微生物群落及生物膜的空间结构。SEM成像已提供了微生物群落空间结构与组织方式的详细描述。SEM结果显示,微生物群落通常以生物膜形式聚集,这是培菌系统中微生物生态景观中普遍存在的结构。我们展示了用于固定、脱水、干燥、溅射镀膜以及成像这类复杂群落的实验方案。这些方案经过优化,可处理包含植物和真菌生物量以及微生物群落和生物膜的脆弱且异质的样品。
生态系统由特定地理区域(即环境)内通过各种过程相互关联的生物组成。生物随时间与环境相互作用,从而形成复杂且异质的空间格局。空间格局决定生态多样性与稳定性,并最终影响生态系统的功能1,2,3,4。在湿地、稀树草原、珊瑚礁和干旱生态系统等大尺度生态系统中,空间格局与资源的流动和浓度密切相关。空间异质性和空间格局有助于资源优化,使得生态系统比均质系统更具恢复力2。群落生态学中生物的空间定位基础同样适用于微生物世界。
微生物生态系统并非生物体在微生境中随机且均匀混合的状态,而是呈现出定义其大部分功能的空间格局5,6,7从温诺格拉斯基柱到环境及宿主相关微生物群落,这些生态系统在空间上呈异质性分布,其空间排布会引发不同的表型响应。共存物种更有可能相互作用并影响彼此的生理状态。因此,群落的空间结构相较于其组成 本身,界定生态系统属性和生态位5,7,8以这些概念为例,空间分布模式的变化似乎与牙菌斑、龋齿和牙龈疾病的病理进展相关。9,10炎症性肠病11,囊性纤维化肺部感染,慢性伤口感染12,13结直肠癌和腺瘤14.
在微生物生物地理学(研究微生物多样性在时空尺度上的分布格局)的范畴内,理解微生物群落的空间分布模式极大地促进了人们对微生物生态系统的认知。6,13,15,16,17我们研究了迷人切叶蚁(fungus-growing attine ant)所构建的昆虫-微生物生态系统的空间格局,该生态系统位于其核心膜翅目:蚁科:切叶蚁亚科:收获蚁族:收获蚁亚族) 菌落。这里存在着一个以担子菌门真菌为核心的“微生物园”,该真菌属于担子菌科族 白鬼伞亚科(担子菌门:蘑菇科) 或在科内 小塔氏菌科 (担子菌门:伞菌目)18,19,20,21,22。菌圃是由菌丝相互交织形成的海绵状结构,通过代谢蚂蚁采集的以植物为主的基质而生长图 1)。根据不同的切叶蚁属,这些物质可能包括:干燥的植物部分、昆虫粪便和尸体、 freshly cut leaves、种子以及花部结构23,24类似于外部草食性动物的消化道,该菌圃通过酶解和化学作用将难降解的聚合物转化为易利用的营养物质,为蚂蚁提供必需氨基酸、脂质和可溶性糖21,25,26,27,28.
对切叶蚁属Atta和Acromyrmex的菌圃进行的超微结构、酶学和转录组学分析表明,这些环境构成了一个连续的底物降解和营养斑块体系26,29,30,31,32。菌圃的较年轻区域由于新近加入并被破碎的底物而通常颜色较深。这些新添加的底物通常从边缘开始被定植,这些边缘由工蚁切割,并接种了菌丝团块。菌丝从切割边缘向外辐射,在底物表面扩展29,32,33。随着底物降解的进行,菌丝丰度增加,形成白色且代谢活跃的区域30,31,32。较老的区域底物降解程度更高,并含有丰富的微生物群落29,32,通常呈现褐色色调且湿度较高。工蚁会移除这些区域的碎片,将其分离并堆放为废弃物,同时也会将有害于真菌共生体的底物带入其中34,35,36。尽管废弃物堆在物理上与菌圃分离,但仍是大量定居微生物持续进行底物降解和养分循环的重要场所29,32,37,38,39。
主要由微生物群组成的 肠杆菌属,克雷伯氏菌属,泛菌属,假单胞菌属 和 粘质沙雷菌,也栖息于菌圃中,似乎被多种切叶蚁真菌种植系统所共有。这些微生物编码能够补充真菌代谢的代谢通路,可能参与菌圃的生理响应过程40,41,42,43,44。宏基因组数据不仅表明微生物群的存在41,42,但对切叶蚁菌圃的扫描电镜(SEM)分析显示,植物基质上主要为杆状细菌32尽管从整个菌圃中分离出了细菌(包括纤维素降解菌株),但细菌仅在菌圃较老的区域、废物堆以及创始蚁后携带的初始菌团中被观察到。29,32也不确定微生物群是否能够形成生物膜 体内 (即在花园和废弃物中),这与其代谢能力相符42 并观察 体外44.
本研究采用扫描电子显微镜(SEM)进一步解析花园不同区域中微生物群落的空间组织结构,详细描述微生物群落与基质以及微生物群落与菌丝之间的物理相互作用。SEM 提供具有较大焦深的图像,能够以高分辨率观察三维微观结构,从而实现对花园微生物群落空间分布模式的全面分析。本文详细阐述了对这类异质性高且脆弱的真菌基样品进行固定、脱水、干燥、溅射镀膜和成像的步骤。通过省去四氧化锇(OsO4)的后固定步骤并缩短脱水时间,我们对用于花园样品和废弃物样品 SEM 分析的前处理方案32,33,45 进行了简化。该优化后的方案可有效保持菌丝结构特征以及微生物群落和生物膜的空间组织状态,亦可应用于其他脆弱的微生物生态系统和生物膜的研究。

图1:切叶蚁的微生物园。该菌园是一种海绵状结构,由菌丝交织形成的网状物构成,通过代谢蚂蚁带入的以植物为主的底物而生长。园中还栖息着微生物群,其编码的代谢通路可能补充真菌的代谢功能。宏基因组数据和先前的扫描电子显微镜分析已表明其存在,但我们对其空间组织以及与底物和真菌菌丝的物理相互作用了解甚少。我们采用扫描电镜(SEM)揭示微生物群及生物膜的空间组织与分布模式。图示由Mariana Barcoto绘制(菌园和微生物群改编自Barcoto和Rodrigues94),照片由Mariana Barcoto和Enzo Sorrentino拍摄。请点击此处查看该图的放大版本。
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1. 野外蜂群采样
注意:采集蚂蚁种群时,须确保已获得当地法律法规要求的所有许可后方可进行采集。在本研究中,采集许可证编号 #74585 由巴西奇科·门德斯生物多样性保护研究所(Instituto Chico Mendes de Conservação e Biodiversidade, ICMBio)签发。若样本来源于实验室种群,请直接进入第 2 节。

图2:样品制备流程图。(A)野外蚁群取样。(B)样品处理。(C)样品制备的基本原理与操作流程:1. 固定:用于增强并保持样品结构。2. 脱水:用乙醇置换样品中的水分。3. 临界点干燥:用液态CO2置换乙醇并使其蒸发。4. 安装:将样品置于分析位置。5. 溅射镀金:防止样品带电。6. 成像。插图与照片由Mariana Barcoto提供。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 试剂
注意:请记住,以下溶液应预先配制。
3. 样品固定
注意:固定剂可硬化并保存样本,维持其形态学特征。醛类(如多聚甲醛和戊二醛)属于非凝固性交联型固定剂,可在蛋白质和核酸内部及其之间诱导形成交联结构48。
4. 样品脱水
注意:乙醇洗涤系列步骤可逐步将样品中的水替换为乙醇。为避免对这类精细样品造成过度损伤或塌陷,必须从低浓度的乙醇溶液开始(见下文)49。
5. 临界点干燥
注意:临界点干燥仪将样品中的乙醇置换为液态二氧化碳(CO2),然后在较高温度和压力下使二氧化碳从样品中蒸发。请遵循仪器制造商提供的相关操作说明。
6. 封片
7. 金溅射镀膜
注意:需要对样品进行镀膜以防止其带电。请根据制造商的说明调整相关参数,例如工作气体压力(本方案中为0.5 × 10-1 mm Hg)、溅射时间(220 s)、金层厚度(约120 Å)、电流(50 mA)以及电压供应。尽管不同制造商的设备在操作上可能略有差异,但溅射过程通常遵循相似的工作流程。
8. 成像
注意:请遵循制造商的说明调整扫描电子显微镜(SEM)的设置,例如物镜光阑直径、工作电压、电子束系统的对中、轴向对中以及消像散器。
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本文介绍了一种简化的可视化方法,用于观察切叶蚁菌园及废弃物样本中的组分,如菌丝、基质、微生物群落和生物膜。扫描电镜(SEM)技术加深了我们对菌园和废弃物如何支撑微生物群落结构模式的理解。图3)。在切叶菌圃中,菌丝是覆盖基质表面部分区域的树枝状结构。由于菌丝通常对脱水和破裂极为敏感,操作者可依据菌丝的形态来评估样品制备的效果。此现象亦见于先前的研究中32,33,45,菌丝呈管状;完整、管状的菌丝表明样品制备有效(图3A 和 图 4C)。当菌丝呈带状时,这种扁平化可能是该技术造成的人工假象(图4C).
植物基质表面可通过角质层和表皮...
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扫描电子显微镜(SEM)利用电子束扫描样品,生成放大的图像,从而以高分辨率观察三维微结构。由于SEM在高真空条件下运行,因此需要从样品中去除99%以上(或高达99%以上)的水分。在SEM真空腔内,部分水合的样品可能发生脱水和塌陷,并导致电子散射。为了实现SEM的高分辨率成像,样品制备应包括去除水分的同时尽可能减少体积和形态变化的步骤,以及进行镀层处理以防止成像过程中产生电荷积累55,56,57。
首先,通过交联样品中的蛋白质和核酸对其进行化学固定,该过程可通过多种技术实现。一种广泛使用的方法是将戊二醛和甲醛(或聚甲醛)加入缓冲液中,例如哌嗪-1,4-二[2-乙磺酸](PIPES);N-[2-羟乙基]哌嗪-N′-2-乙磺酸(HEPES);磷酸盐缓冲盐水(PBS);或二甲胂酸钠。化学固定可增强样品的稳定性,从而在干燥过程中保持其结构。根据样品性质,可能需要进行二次固定...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢圣保罗州研究资助基金会 (FAPESP) 提供的资金支持(项目编号 #2019/03746-0)。MOB 感谢 FAPESP (项目编号 2021/08013-0)和巴西高等教育人员提升协调办公室(CAPES)——资助代码 001 提供的博士奖学金。AR 还感谢国家科学技术发展委员会(CNPq) 提供的研究奖学金(#305269/2018)。作者感谢 Marcia Regina de Moura Aouada 和 Antonio Teruyoshi Yabuki 在样品制备预实验中的帮助,感谢 Renato Barbosa Salaroli 提供的技术支持,以及 Enzo Sorrentino 在摄影拍摄中的协助。本研究在遗传资源获取授权 # SISGen AA39A6D 下开展。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2 mL 离心管 | Axygen | MCT-200-C-BRA | 固定并脱水样本 |
| 无水氯化钙 | 默克 | C4901 | CaCl2 无水以配制 Karnovsky’固定剂 |
| 临界点干燥仪 | Leica | EM CPD 300 | 用于临界点干燥 |
| 双面碳导电胶带,12 毫米(宽)× 5 米(长) | 电子显微镜科学公司 | 77819-12 | 用于样品封片 |
| 昆虫镊 | 无特定供应商 | 处理园艺样品 | |
| 乙醇(=ethanol),纯品(≥99.5%) | Sigma-Aldrich | 459836 | 用于脱水 |
| 镊子 | 无特定供应商 | 处理园艺样品 | |
| 玻璃烧杯 | 无特定供应商 | 用于脱水 | |
| 玻璃培养皿 | 无特定供应商 | 处理园艺样品 | |
| 玻璃移液管 | 无特定供应商 | 固定并脱水样本 | |
| 戊二醛(水相电子显微镜级戊二醛,25%) | 电子显微镜科学公司 | 16220 | 制备卡诺夫斯基固定液’固定剂 |
| 金靶 | Ted Pella, Inc. | 8071 | 镀金溅射处理 |
| 盐酸 | Sigma-Aldrich | 320331 | 用于调节溶液的pH值 |
| 图像编辑器 | Photoshop | 任何版本 | 调整图像 |
| 多聚甲醛(多聚甲醛20%水溶液,电子显微镜级) | 电子显微镜科学公司 | 15713 | 制备卡诺夫斯基固定液’固定剂 |
| 丙烯容器 | 无特定供应商 | 用于维持活体蚂蚁群落 | |
| 扫描电子显微镜 | JEOL | IT300 SEM | 用于样品成像 |
| 二甲胂酸钠三水合物 | Sigma-Aldrich | C0250 | 用于配制卡考基酸钠缓冲液 |
| 刮勺 | 无特定供应商 | 处理园艺样品 | |
| 直径15毫米、高10毫米的标本容器 | Ted Pella, Inc. | 4591 | 用于临界点干燥 |
| 溅射镀膜仪 | Baltec | SCD 050 | 镀金 |
| 支架(铝制底座,平头针)12.7 mm × 8 mm | 电子显微镜科学公司 | 75520 | 用于样本封片 |
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