【LorMe周刊】铁竞争引起链霉菌与黄色粘球菌共培养过程中抗生素的合成
作者：任鹏，南京农业大学硕士在读。主要研究根际资源与微生物互作。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍链霉菌和黄色粘球菌竞争铁素与抗生素产生的关系以及微生物互作的重要性。原文来自于2020年发表在ISME Journal上的文章《Iron competition triggers antibiotic biosynthesis in Streptomyces coelicolor during coculture with Myxococcus xanthus》。
导读
将两种以上微生物共培养是生产次级代谢产物的方法之一。本文作者发现，铁竞争可以激发链霉菌与黄色粘球菌在共培养过程中放线菌素的合成。两者共培养时，微生物之间的竞争作用激活了链霉菌放线菌素的生物合成基因簇、支链氨基酸的降解途径（提供放线菌素的前体物质）以及一个新的放线菌素输出系统。研究表明，由微生物互作引起的关键离子可利用性的改变激发了链霉菌次级代谢产物的合成。
一、共培养的结果—链霉菌和黄色粘球菌分别产生大量放线菌素和铁载体
作者设置了三组实验：链霉菌的纯培养、黄色粘球菌的纯培养以及两者共培养（图1a），将菌涂布在CTT固体平板两侧，中间保留一条3mm的空白接触带，9天后测定并观察了共培养体系中放线菌素产量和两种菌的形态学变化。结果表明，共培养时链霉菌产生大量放线菌素，且与黄色粘球菌之间形成了模糊的接触带，在接触带区域形成了大量的气生菌丝；黄色粘球菌形态无变化且在接触带区域的细胞数量少于非接触带（图1b、c、d）。随后结合转录组分析发现，相比于单菌培养，共培养时链霉菌的丙酮酸代谢和支链氨基酸降解途径被激活，相关基因表达上调，为放线菌素的生物合成提供前体物质（图1e）；黄色粘球菌的铁载体（myxochelin A）生物合成基因和与铁载体相关的铁吸收系统相关基因表达上调（图1f）。而后检测各培养体系中铁载体的产量发现，共培养时黄色粘球菌的铁载体产量显著提高（图1g）。
图1 链霉菌和黄色粘球菌的互作及转录组分析
（a，b）链霉菌和黄色粘球菌在固体培养基上进行单独和共培养；（c、g）不同培养条件下链霉菌放线菌素产量和黄色粘球菌铁载体产量；（d）共培养时链霉菌和黄色粘球菌的形态；（e）放线菌素合成通路上调的基因（橘色表示基因上调）；（f） 黄色粘球菌铁载体和获取铁素合成通路上调的基因
二、铁竞争与放线菌素合成之间的关系
为何共培养条件会促进放线菌素的产生?黄色粘球菌的铁载体与放线菌素合成有何关联?研究发现，单独添加铁载体或者黄色粘球菌细胞提取物并不能促进链霉菌放线菌素的合成（图2a、b），但利用半透膜形成的物理隔离对共培养条件下链霉菌放线菌素的合成却无影响（图2c）。因此，作者推测黄色粘球菌通过铁载体对铁素的吸收激发了放线菌素的合成。进一步测定胞内外铁的浓度发现，纯培养条件下链霉菌胞外铁的含量显著低于黄色粘球菌，而胞内含量较高；共培养条件下黄色粘球菌胞外铁含量迅速下降，胞内铁含量迅速升高且在T3时高于链霉菌（图2d、g、h）；铁的有效性与铁载体和放线菌素的产量均呈负相关（图2e、f、i、j）。有趣的是，相对于共培养，单纯的限铁环境虽然可以使链霉菌产生放线菌素，但产量显著下降。
综合上述所有结果可以得出结论：共培养期间，链霉菌对铁的强吸收导致黄色粘球菌感应到外界铁素含量下降从而合成铁载体以促进自身对铁的吸收，然而这反过来却造成链霉菌处于一种低铁环境，从而诱导放线菌素的合成，值得注意的是，限铁纯培养链霉菌的情况下的放线菌素的产量很低。图2 链霉菌和黄色粘球菌之间的铁竞争对放线菌素合成的影响
（a，b，c）铁载体myxochelin A、黄色粘球菌的细胞提取物和物理隔离对放线菌素产生的影响；（d，g，h）纯培养和共培养条件下胞内外铁的含量；（e，f，i，j）铁的有效性对铁载体和放线菌素产生的影响
单纯的限铁环境虽然可以使链霉菌产生放线菌素，但相比于共培养其产量显著降低。为了探明原因，作者分析了共培养、纯培养和限铁纯培养条件下链霉菌的基因表达情况，发现基因SCO6666在限铁环境下基本不表达，但在共培养条件下表达量最高（图3a、图3b）；此外，在共培养条件下本应高效表达的基因SCO5083、SCO5084被沉默（图3c）。为了进一步明确SCO6666的功能，作者构建了三种突变体，通过实验发现，敲除SCO6666基因的链霉菌在纯培养条件下不产放线菌素，在共培养条件下产生少量放线菌素；插入SCO6666启动子的链霉菌在两种情况下都产生大量放线菌素；插入启动子但敲除SCO6666仍在两种情况下产生大量放线菌素（图3e、图3f）。以上结果说明，SCO6666对放线菌素的产生有重要影响，且能代替部分基因表达，但放线菌素的产生又不全受该基因的调控。
图3 共培养中放线菌素合成相关基因的表达
（a）mRNA的在共培养和纯培养之间随时间的变化；（b）各种培养模式下SCO6666的表达情况；（c）各种培养模式下放线菌素合成基因簇的表达情况；（d）SCO6666基因敲除；（e，f）纯培养和共培养条件下各突变体的表型
铁对于微生物的生命活动至关重要，链霉菌通过对铁的强竞争迫使黄色粘球菌产生更多的铁载体以满足自身需求，反过来造成了链霉菌处于一种限铁环境，为了进一步竞争铁，链霉菌通过产生放线菌素抑制黄色粘球菌的生长。同样是铁胁迫，在去除微生物互作之后，放线菌素的产生和相关基因表达却出现截然不同的结果。该研究表明了微生物互作在激发次级代谢产物合成的潜在作用，同时也体现出微生物互作在生物合成中的独特性和重要性。
论文信息原名：Iron competition triggers antibiotic biosynthesis in Streptomyces coelicolor during coculture with Myxococcus xanthus
yxococcus xanthus
译名：铁竞争引起链霉菌与黄色粘球菌共培养过程中抗生素的合成
期刊：ISME Journal
IF：9.6
发表时间：2020.1.28
作者单位：韩国科学技术院
▼作者专栏▼【LorMe周刊】如何通过限制养分来提高菌群稳定性？▼往期精彩▼【LorMe周刊】微生物分泌的铁载体“肠杆菌素”通过与ATP合酶的相互作用促进线粒体对铁的吸收和宿主的发育【LorMe成果】 噬菌体：根际菌群的“作战方案”（NBT）【LorMe周刊】 微生物群落工程的新策略【LorMe周刊】 假单胞菌抑制植物免疫应答的机制
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