Nature Microbiology | 研究揭示植物有益假单胞菌的生防机制！

细菌可以利用接触依赖性分泌系统将效应蛋白分子送入原核细胞或真核细胞，并促进与其他细菌或宿主的竞争或共生互动。2022年9月19日，国际权威学术期刊Nature Microbiology发表了瑞士苏黎世大学Leo Eberl（Science Advances | 苏黎世大学研究揭示减轻丁香假单胞菌毒力的新兴策略！）团队的最新相关研究成果，题为Pseudomonas putida mediates bacterial killing, biofilm invasion and biocontrol with a type IVB secretion system的研究论文。科研人员揭示了一种对植物有益的Pseudomonas putida菌株利用IVB型分泌系统（T4BSS）将有毒效应蛋白输送到邻近的细菌细胞中，侵入现有的生物膜并保护植物宿主免受植物病原体的侵害（图1）。

DNA测序的低成本和计算工具的改进使我们能够获得对定居在不同生态位和环境中的微生物组的分类和功能组成的非凡洞察力。混合群落是非常复杂的，包括细菌、古细菌、原生动物、真菌和病毒，它们竞争有限的资源和空间。共存的微生物已经进化出几种机制，在这种环境中合作或竞争。细菌是大多数微生物组的主要参与者，尽管它们之间的细胞-细胞相互作用的机制是已知的，但关于它们在微生物群落的形成和维持中的具体作用，仍然存在知识空白。细菌细胞可以通过可扩散的化学信号，如群体感应分子、挥发性物质和次级代谢物，通过不依赖接触的细胞-细胞通讯系统相互作用。第二种机制涉及使用诸如囊泡、纳米管、丝状物和分泌系统等结构的依赖接触的相互作用。这些装置作为生物材料（例如蛋白质、核酸、信号分子、营养物质和代谢物）交换的载体，从而形成互动网络并影响细菌行为。

对依赖接触的细菌分泌系统的研究是细菌与其他微生物和宿主生物体相互作用领域中最令人兴奋的领域之一。到目前为止，已经发现了九个分泌系统。其中大多数是在研究病原细菌与其真核宿主的关系时发现的。效应蛋白被病原菌运送到真核生物的目标细胞中，在那里它们调节宿主细胞的一系列功能。分泌系统还可以驱动与几个真核宿主（动物、植物、昆虫和原生动物）的共生互动，或直接将毒素输送到其他细菌中，以杀死它们或挑战它们的生长。效应蛋白跨过相邻细菌细胞的膜，可能在塑造不同微生物群落的组成和动态方面发挥了关键作用。值得注意的是，每个效应蛋白都与特定的免疫蛋白一起编码，将通过蛋白质-蛋白质的相互作用来避免自我中毒，这是最为常见的。

科研人员探讨了有益的根系相关的P. putida菌株IsoF中分泌系统的细菌间杀伤功能，该菌株拥有一个由基因组岛编码的T4SS系统的罕见亚类。科研人员集中研究了该系统的生态作用，并表明它以无目标的方式向邻近的细菌细胞输送毒性效应蛋白，使IsoF菌株能够侵入现有的生物膜并保护植物免受病原体的侵害。通过对基因组转座子突变体的遗传筛选，他们首先确定了P. putida菌株IsoF的一个编码T4BSS的基因组岛，并将其命名为kib（杀伤、入侵、生防控制）。kib岛只在11个植物有益物种的假单胞菌基因组中发现，这表明在其与植物相关的生活方式中具有特殊作用。然后，科研人员在与植物相关的有益细菌的生物学设置中，如混合生物膜和植物病原体的生防控制中，对所确定的系统进行了描述。通过另一个遗传筛选，他们还发现了一对效应蛋白-免疫蛋白，它们能够以非靶向的方式杀死广泛的革兰氏阴性土壤细菌，并可能在根际定殖和植物相关微生物群落的调控中发挥主要作用。科研人员继续提供证据表明，菌株IsoF利用其T4BSS来消除或取代细菌竞争对手，最终在预先建立的生物膜中取代它们。通过进行体内试验，科研人员进一步表明，P. putida IsoF能够以T4BSS依赖性的方式有效地保护植物免受植物病原体Ralstonia solanacearum的侵害，显示出卓越的生防能力。

与以往研究致病菌的T4SS与其真核宿主的关系以及在细菌增殖和生存中的作用相比，科研人员的工作探讨了这种分泌系统在植物-有益细菌相互作用生态环境中的作用，并拓宽了这些重要的纳米机器在宿主相关微生物组以及植物病害的生物防控视野（图1）。

图1: 根部定殖、对植物有益假单胞菌的T4BSS的作用

由于假单胞菌能很好地定殖于植物环境，促进植物生长，并能拮抗植物病原体，因此可以被视为研究有益植物-细菌相互作用的模式生物。假单胞菌菌株还拥有不同类型的分泌物系统，因此是研究这些纳米机器在植物微生物生态学中的作用的优秀模式。了解植物与细菌相互作用的机制以及分泌系统在塑造微生物群落方面的作用，将影响与人类和植物健康有关的基础科学和转化应用，并将成为促进更可持续的农业的关键。

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