假单胞菌耐酸机制研究进展_苏熠.pdf

1引言近年来，假单胞菌属在生物技术和农业方面具有广阔发展前景，在动植物和人类病原体医学研究方面具有重要意义，因此受到人们越来越多的关注1。假单胞菌是重要的植物生长促生菌之一，其能够快速生长，并在根际表现出良好的定殖能力2；能够产生抗生素、铁载体和多糖，具有抑制土壤病原体的巨大潜力3。假单胞菌属可以利用各种基质作为营养物质，并能在各种对于其他细菌来说很艰难的条件下生存。一些假单胞菌菌株可以通过产生葡萄糖酸从黑云母、长石和磷酸盐等矿物中溶解钾和磷以及其他元素47，而分泌有机酸是根际细菌溶解含磷矿物的主要途径4。由于质子的分泌，植物根际环境通常呈酸性，pH 值较非根际土壤低 2 个单位8。另外，一些经过基因工程改造的假单胞菌已经应用于醛酸的高效生产，在食品、化妆品和制药行业广泛应用911。产酸假单胞菌对酸的耐受性，不仅能够促使其更有效地风化矿物12，而且在其适应酸性环境过程中也起重要作用。微生物内部环境的酸化会增加细胞外渗透性，破坏细胞质中生物大分子的结构13。此外，细胞质酸化会破坏细胞膜结构，降低细胞内酶的活性，摘要：假单胞菌是革兰氏阴性细菌，具有丰富的代谢多样性，能适应多种生物和非生物胁迫。假单胞菌在工农业生产、环境保护、生物医学领域具有广泛应用，包括风化土壤矿物，促进植物生长，抑制植物病原菌，修复土壤和水体污染物，开发药物等。总结了假单胞菌对酸的耐受机制，包括细胞壁和细胞膜的完整性，外排泵，碱性化合物的合成，能量代谢，DNA 损伤修复，以及生物膜。假单胞菌对酸的耐受机制能进一步丰富根际植物促生菌与植物互作的机制，且对有益菌株的开发具有重要意义，能提高其生存能力和产品功效。关键词：假单胞菌；酸胁迫；耐酸机制；植物促生菌中图分类号：Q93文献标识码：A文章编号：1008-1631（2022）06-0088-07收稿日期：2022-04-20基金项目：国家自然科学基金项目（41977040；42177020）；南京信息工程大学人才启动经费项目（003027；003342）作者简介：苏熠（2001-），女，江苏江阴人，本科生在读，研究方向为环境微生物资源与生态。E-mail：。通讯作者：王琪（1986-），女，江苏镇江人，副研究员，博士，主要从 事 农 业 微 生 物 资 源 与 生 态 相 关 研 究。E-mail：。Research Progress on Acid Tolerance Mechanism of PseudomonasSU Yi，CHENG Cheng，WANG Qi*（School of Applied Meteorology，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）Abstract：Pseudomonas species belong to gram-negative bacteria，and can adapt to a variety of biological andabiotic stresses due to their metabolic diversity.Pseudomonas has been widely used in industrial and agriculturalproduction，environmental protection and biomedical fields.They have been applied to weather soil minerals，promote plant growth，inhibit plant pathogens，repair soil and water pollutants，and develop drugs.The mechanism of acid tolerance of Pseudomonas is summerized，including integrity of cell wall and membrane，effluxpump，synthesis of alkaline compounds，energy metabolism，DNA damage repair and biofilm.The acid tolerance mechanism of Pseudomonas could further enrich the interaction mechanism between plant and rhizosphereplant growth-promoting bacteria，and is of great significance for the development of beneficial strains，whichcould improve their survival and product efficacy.Key words：Pseudomonas；Acid stress；Acid tolerance mechanism；Plant growth-promoting bacteria苏熠，程诚，王琪*（南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京 210044）假单胞菌耐酸机制研究进展DOI：10.12148/hbnykx.20220105河北农业科学，2022，26（6）：88-94Journal of Hebei Agricultural Sciences编辑白瑞霞第 6 期诱导蛋白质降解并导致 DNA 损伤14，因此细胞内环境的 pH 值通常接近中性15。假单胞菌已知和潜在的耐酸机制包括细胞壁和细胞膜的完整性、外排泵、碱性化合物的合成、能量代谢、DNA 损伤修复、生物膜。深入理解假单胞菌菌株的耐酸机制，将有助于进一步深入了解根际周围植物和微生物之间的相互作用与机制，且能为微生物菌肥的研发与应用、土壤有益元素活化、食品防腐工艺开发以及药物研发等提供新的技术途径。2耐酸机制2.1细胞壁和细胞膜的完整性当细菌暴露于酸性环境时，细胞膜可能会发生一系列变化，包括囊泡形成、磷脂成分变化和细胞膜通透性降低1618。研究表明，外部酸性环境可以作为细菌细胞壁应激的信号13，诱导细胞壁修复酶的合成，防止细胞壁降解。参与细胞壁和膜合成的物质会对酸性环境产生反应。如，青霉素结合蛋白（MrcA）是参与细胞壁肽聚糖（PNG）合成的主要酶，为构成革兰氏阴性细菌薄壁组织的重要成分19。脂多糖（LPS）是膜的主要成分，对膜的稳定性起着重要作用。Kelly 等19发现，在革兰氏阴性细菌遭受酸胁迫时，负责 PNG 水解，催化细胞壁聚糖链断裂的 N-乙酰-L-丙氨酸酰胺酶和裂解转糖苷酶数量降低。参与膜稳定性的蛋白质在假单胞菌的耐酸性中也起着重要作用。当暴露于高浓度对香豆酸时，ATP 结合盒（ABC）转运体中的 Ttg2ABC 基因缺失会损害恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）KT2440 的正常生长20。据报道，这种转运体参与了抵抗其他胁迫的过程，如氧化胁迫、重金属和抗生素以及甲苯21。外膜脂蛋白（VacJ）与大肠杆菌（Escherichia.coli）和志贺氏菌（Shigella flexneri）的 ABC 转运系统有关，也被认为与恶臭假单胞菌对于对香豆酸和药物的耐性有关20。在细胞膜将被破坏时，VacJ 在维持外膜稳定性方面发挥着重要作用22，23，并且其缺失会导致外膜渗透性增加23。此外，乳酸（LBA）暴露后，荧光假单胞菌的机械敏感性离子通道蛋白上调。这种蛋白质是渗透安全阀，可以防止细胞在低渗透性的休克期间因为膜渗透屏障的短暂损伤而破裂13。2.2外排泵外排泵能绕过周质去除细胞中的有毒物质，有效提高细胞在有毒环境中的存活率24。通过应用转录组学分析和相关基因的删除，Wang 等12发现，在添加黑云母的条件下，具有高效矿物风化功能的生氮假单胞菌（P.azotosomes）菌株 F77 中编码 NADH 脱氢酶的基因（包括 nuoE、nuoF 和 nuoI）显著上调。NADH 脱氢酶和其他 NADH-泛素氧化还原酶可以将 H+泵出细胞，提高细胞内部的 pH 值25，从而缓解酸的胁迫效应。超家族转运蛋白（MFS）可促进各种底物（包括离子、糖磷酸盐、药物、氨基酸和肽）在细胞质和内膜上移动26。Ma 等27证实了恶臭假单胞菌菌株 KT2440中的 MFS2 转运蛋白基因簇 PP_1271、PP_1272 和PP_1273 在耐受丙酸（PA）过程中的作用。PA 是一种广泛使用的食品防腐剂，对微生物生长具有显著的抑制作用。因此，PA 对菌株生长的抑制也是对其高效微生物发酵生产的巨大挑战。PP_1271、PP_1272和 PP_1273 的过表达不仅促进了菌株 KT2440 在丙酸钠环境下正常生长，而且还增加了 PA 产量，这可能是 MFS2 转运体向细胞外不断运输 PA 导致的27，28。能识别多种药物的药物外排泵称为多药外排泵，能通过内膜转运从细胞质和周质中向细胞外泵出多种抗生素，导致细菌能同时耐受多种药物29，30。乳酸是一种多功能有机酸，天然存在于酸奶等发酵乳制品中，广泛用于食品、医药和精细化学品。当暴露于LBA 时，荧光假单胞菌（P.fluorescens）中的耐药-结瘤-分裂（RND）型多药外排泵数量上调。RND 外排泵的表达受外界应激因素的影响，如活性氧31。因此，外排泵可能是一种通用的菌体自我保护机制的一种，以对抗酸胁迫引起的细胞应激反应。2.3碱性化合物的生成细菌通过产生碱性化合物（包括脲酶、腐胺、亚精胺和 NH3+）来抵消细胞质的酸化32。尿素酶能特定催化尿素水解成氨（NH3）和二氧化碳（CO2），从而中和细菌微生境中的酸。已有报道表明，提高尿素酶活性是幽门螺旋杆菌（Helicobacter pylori）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的主要耐酸机制31，其催化产生的 NH3可以作为缓冲液离开菌体细胞的细胞质，以 NH4+的形态进入细胞周质空间。精氨酸脱胺酶（ADI）能将精氨酸分解为鸟氨酸、NH3和 CO2。这些碱性化合物有助于提高细胞 pH 值来应对酸性环境3335。例如，乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）通过ADI 途径产生 NH4+，以获得 ATP 来对抗酸胁迫36。研究发现，生氮假单胞菌（P.azotoformans）F77主要通过生成葡萄糖酸和降低培养基的 pH 值来加速黑云母风化12。在培养基中添加黑云母的条件下，当菌株 F77 受到酸胁迫时，负责编码碱性物质（如NH3、腐胺和亚精胺）的基因，包括 ureD、ureC、ureaA、苏熠等：假单胞菌耐酸机制研究进展89河北农业科学2022 年ureB、urgeG、ureJ、potF 和 orf02258 显著上调。生理试验结果也表明，在黑云母存在的低 pH 值条件下，F77 菌株细胞内 NH3+的产生会增加。2.4能量代谢由于耐酸菌株需要从细胞中运送额外的质子来维持细胞内的 pH 值，因此，跨膜质子能量是细菌很重要的耐酸机制之一37。H+-ATP 酶是一种由多个亚基组成的酶，具有质子转移膜通道的功能38，通过产生ATP 为细胞在酸性环境中维持生存提供能量。这种酶可以利用质子驱动力，通过消耗底物水平磷酸化产生的 ATP 将质子从细胞中排出。因此，较高的 H+-ATP酶和能量积累有利于细菌菌株维持pH 值稳态39。当生氮假单胞菌和嗜热乳杆菌（Lactobacillus thermophilus）分别处于低 pH 值环境时，H+-ATP 酶的转录水平均显著上调12，40。编码成熟细胞色素 c 系统的基因 ccmCDEF 和编码硫氧化还原蛋白的基因 dsbE 对细菌耐受香豆酸意义重大。当暴露于对香豆酸时，ccmF 和 ccmC 的缺失显著抑制了恶臭假单胞菌 KT2440 的正常生长。细胞色素 c 成熟系统可以促进血红素基团附着在周质中的脱细胞色素 c 上，使 c 型细胞色素在