生物被膜是细菌的群体生活方式,它代表了一种受保护的生长模式,生物被膜中的细菌被包裹在由自身分泌的胞外聚合物基质中,它为细菌提供保护使其在恶劣环境中可以生存下来,并可以在条件发生改变时重新分散到新的环境中。在由单一菌种形成的生物被膜中,即使细菌的基因型相同,生物被膜中的细菌个体仍然表现出不同生理活性,这种生理活性的差异来源于生物被膜中局部微环境的差异,如营养物质,电子受体和给体,代谢产物以及各种信号分子等的不均匀消耗,扩散或累积。由生理活性的差异导致的个体之间的表型差异无可厚非。在实验室的均质富营养环境下,自由的细菌个体则代表了细菌的另外一种生活方式,但是它们也不可思议地经常表现出高度的表型差异性,也就是同基因群体内的细胞表现出了不同生理状态。简单地说,均质环境中生长的基因相同的细菌个体之间产生了表型差异,而且这种差异独立于遗传多样性或环境波动而导致的表型多样性,它表现在处于相同微环境中的遗传上相同的个体之间。目前已经发现处于对数生长时期的细菌个体表现出了生长率,趋化性,代谢性质,营养获取等生理参数上的差异性。浮游状态的细菌个体代表了细菌自由的生活方式,生物被膜代表了细菌群体的生活方式,连接这两种生活方式之间的桥梁就是细菌的粘附,细菌从溶液中的自由状态到表面的粘附是生物被膜形成的第一步,在本研究中我们以铜绿假单胞菌为模型菌种,对溶液中细菌个体到表面的粘附行为进行重点研究。利用高通量的显微镜技术结合成熟的细菌追踪算法,我们发现在任何生长阶段,即使处于对数期,溶液状态的铜绿假单胞菌都存在着两种完全不同的粘附表型:快粘附表型和慢粘附表型。以在对数期生长的溶液态细菌为例,接近80%的细菌可以在15分钟内快速地粘附到表面上,而其余的20%的细菌粘附过程则很慢,进一步的分析我们发现两种表型的粘附率相差超过一个数量级(超过20倍)。虽然两种粘附表型的相对比例对细菌所处的生长时期有一定的依赖性,但粘附率基本没有变化,说明了两种粘附表型存在的普遍性。通过对各种粘附因子的筛选,我们发现是胞外多糖Psl的分化表达导致出现了两种不同的粘附表型,在敲除编码Psl的相关基因△pslBCD后,细菌只表现出了一种粘附表型,属于慢粘附表型;另一方面,我们证实了快粘附表型的Psl表达水平高于低粘附表型的细菌。更进一步,我们发现RsmYZ/RsmA信号调控回路是胞外多糖Psl的分化表达的主要调节因素。我们通过敲除调控因子(△rsmA)或者阻止调控因子的对psl操纵子的结合来破坏了 RsmYZ/RsmA的调控回路,在菌种△rswA和B0034psl中,细菌均只表现出一种粘附表型。通过利用基因荧光报告系统和凝集素特异性染色Psl的方法,我们发现了溶液态的铜绿假单胞菌的psl操纵子表达和胞外多糖Psl的分泌均具有很大的差异性(差异系数CV均超过100%,3倍于菌种B0034psl(约30%))。因此,我们发现并证实了胞外多糖Psl表达的差异性。在Flow cell提供的流场环境下,我们观察了胞外多糖Psl的分化表达对生物被膜形成的影响。我们发现:1).在生物被膜形成的最初始期。胞外多糖Psl的分化可以使一小部分细菌很快地粘附到表面上,占领空间为生物被膜的进一步发育提提供了可能;2).在生物被膜发育的早期阶段,可以使表面粘附的细菌分化出可以脱离表面的子代,这一部分细菌可以去寻找更优的环境;3).在生物被膜的成熟阶段,可以帮助细菌形成更精细,更三维的生物被膜结构。我们可以这样理解,细菌粘附行为的差异可能是细菌在生物被膜形成过程中做出的对冲下注决策,快粘附表型的细菌可以快速地粘附到表面进而占领空间形成小菌落,而慢粘附表型的细菌在流场环境下更倾向于留在溶液中为细菌寻找更优的环境提供了可能。另外,我们的研究发现可以让我们重新去理解生物被膜的形成过程。传统的观点认为,生物被膜形成初期,溶液中细菌粘附到表面的过程一个可逆过程,随后随着在表面的生长,细菌可能开启“表面感知系统”,变成一个不可逆的过程。而我们的结果表明,细菌第一步的粘附是通过溶液中的快粘附表型细菌完成的,也就是说快粘附表型的细菌完成了表面的初始粘附,并在粘附后的短时间内(1h内脱落事件很少发生)并不会脱离表面;快粘附表型细菌粘附到表面以后,随着在表面的生长,它们分裂的子代并不是全部留在表面生长,而是仍然可以分化出能脱离表面的子代,这为细菌寻求更好的环境提供可能。因此,我们的实验发现帮助我们进一步理解了生物被膜的形成,并更新了现有的认知。