【LorMe周刊】有条件私有化使铜绿假单胞菌能够抵抗欺骗者的入侵

作者：曹可豪，研究方向为高产铁载体抗病和促生功能菌株的筛选。

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导读

从微生物到动植物的多种生命形式中，始终都存在通过生产公共物品进行的合作。自然选择和博弈论预测，在合作行为中欺骗者消耗公共资源而不付出生产成本，最终导致合作崩溃。本文作者在研究，环境压力对铜绿假单胞菌公共物品铁载体的产生和分泌的影响时发现，应对环境压力时，铜绿假单胞菌可通过“有条件私有化”的策略，调节铁载体的分泌，保留铁载体于胞内，提高自身的生存能力。此外，作者还研究了这些环境压力对细菌合作的影响，发现该策略有利于合作者在环境压力下抵抗欺骗者的入侵，维持细菌间的合作。

环境压力诱导铁载体在细胞周质中积累

本文采用共聚焦超高分辨率显微镜可直接对一种荧光铁载体（PVDI）进行成像和定位。作者观察到用激光（405 nm）照射会导致PVDI在铜绿假单胞菌细胞的周质中积累（图1a）。PVDI在细菌周质中的积累可能有两种原因：（i）对光刺激的特定反应，或（ii）应对光子压力（通常导致活性氧-ROS的产生）的一般反应。为明确PVDI积累的原因，作者使用了ROS特异性染料（H₂DCFDA）来监测ROS的胞内水平，发现低光照强度不会导致PVDI积累，当光照强度达到9时，PVDI开始积累，ROS含量也会增加（图1b）。该发现表明PVDI的积累是对光子应力的一般反应，而不是光刺激的特定结果。为进一步证实这一发现，作者使用妥布霉素（Tobramycin，一种氨基糖苷类抗生素，可使细胞产生ROS）处理铜绿假单胞菌。结果发现，妥布霉素通过产生ROS也导致了细胞中PVDI的积累（图1c）。该结果表明，包括光子应力和抗生素在内的不同环境压力都会导致铜绿假单胞菌周质中PVDI的积累。

图1.  环境压力导致铜绿假单胞菌周质中细菌铁载体的积累

a.共聚焦显微镜显示激光的照射在4分钟内触发细菌铁载体(PVDI)在野生型铜绿假单胞菌中的累积。b.在不同光照条件或c不同浓度的妥布霉素的条件下细胞的PVDI(蓝色条)荧光强度或ROS特异性染料H₂DCFDA荧光强度(绿色条)的直方图。

积累的PVDI使细菌在环境压力下得以生存

细胞内的过氧化物反应会破坏Fe–S簇并导致亚铁离子被释放出来。被释放的亚铁离子随后可通过Fenton反应催化形成有害的羟基自由基（OH·）。因此作者猜测铜绿假单胞菌细胞中积累的PVDI可能会螯合释放的亚铁，从而抑制OH·的形成，保护细胞免受氧化损伤。为了直接验证这一推测，作者使用碘化丙锭(PI，细胞凋亡检测剂)染色和ROS染色相结合的方法（图2a）来检查PVDI生产缺陷的突变株ΔpvdA在环境压力下存活情况。结果表明，在光刺激下，产生ROS和死亡的ΔpvdA细胞百分比高于野生型细胞(图2b)。此外，作者猜想，是否只有在细菌周质中积累的(而非分泌的)PVDI才能在存在环境压力时保护细胞。为检验这一预测，作者在培养ΔpvdA细胞或PVDI生产和摄取缺陷的双突变株ΔpvdAΔfpvA的培养基中外源性地添加了PVDI，仅允许ΔpvdA细胞吸收外源性PVDI。作者观察到，PVDI被吸收后，产生ROS和凋亡的ΔpvdA细胞比例与野生型菌株相似且显著低于ΔpvdAΔfpvA细胞。这些发现表明，在细菌周质中积累的PVDI能够使铜绿假单胞菌细胞在环境压力下存活。

图2. 细菌中的铁载体积累使它们能够在环境压力下生存

a.蓝色、绿色或朱砂色分别代表PVDI、H₂DCFDA或碘化丙啶(PI)荧光强度b.在环境压力下铜绿假单胞菌野生型及突变株的PVDI产量和死亡细胞比例。

通过有条件的私有化抵制欺骗者入侵

作者观察到使用妥布霉素时，细菌培养物（野生型）上清液中PVDI的浓度与妥布霉素的浓度呈负相关（图3a）。相比之下，细胞中积累的PVDI浓度与妥布霉素浓度呈正相关（图1c）。表明在环境压力的条件下铜绿假单胞菌细胞倾向于在细胞内保留PVDI分子，而不是分泌这些分子。合作行为之所以崩溃，是因为欺骗者不会产生生产成本昂贵的PVDI，而是会利用合作者分泌的PVDI。作者预测，有条件的私有化可以使铜绿假单胞菌能够在环境压力下抵御欺骗者的入侵。因此，作者将野生型菌株与欺骗者（ΔpvdA菌株）共培养进行30天进化实验。结果证实，在较强的环境压力下，野生型数量将超过欺骗者（图3b）。该结果表明环境压力的存在防止了欺骗者的入侵，铜绿假单胞菌可以利用私有的PVDI在有限的铁条件下获取铁并在环境压力下保护自己。通过对进化实验结果的总结绘制，也表明随着环境压力的加剧，群落的主导者由欺骗者变为合作者（图3c）。

图3.  在环境压力下，有条件的私有化可以稳定细菌的合作

a. 不同浓度妥布霉素处理的细菌培养物的上清液中PVDI含量，常规+荧光照片。b. 在存在不同浓度的FeCl₃和妥布霉素的情况下，PVDI的生产者和欺骗者的竞争情况。

作者进一步使用数学模型来验证有条件私有化策略在进化实验中作用。发现，如果细菌在环境压力下始终分泌公共物品，则细菌合作最终将崩溃(图4b)。最终通过比较有条件私有化和忠诚合作或自私(图4b)等不同策略主导的进化结果后，作者得出结论，环境压力存在下的有条件私有化是一种新的机制，可以防止合作的崩溃。

图4. 不同策略主导的进化结果

a. 各种环境压力下公共物品分泌的响应曲线,生产者被分为三种（1）不论环境压力大小，细菌仍不断分泌公共物品的“忠诚合作”者（2）细菌不分泌公共物品的“自私”者和（3）随着环境压力增大改变公共物品分泌的“有条件私有化”者。b. 在不同环境压力和铁限制条件下不同策略主导的进化结果，其中γ：μ的范围从自私(γ：μ = 0.1)到忠诚合作(γ：μ =50)。

总结

微生物已经进化出复杂的策略来适应营养缺乏和环境压力。一般认为，环境压力会增加细菌之间的竞争并减少合作。在这里，作者的研究表明由于环境压力，细菌合作可以维持。铜绿假单胞菌在不同环境压力下调节铁载体的分泌，将这种公共物品保留给私人使用，以防止受到环境压力时的活性氧的损害，作者将此策略称为“有条件的私有化”。此外，通过实验研究，作者证明在存在环境压力的情况下，有条件的私有化策略可以抵抗欺骗者的入侵。

论文信息

原名：Conditional privatization of a publicsiderophore enables Pseudomonas aeruginosa to resist cheater invasion

译名：公共铁载体的有条件私有化使铜绿假单胞菌能够抵抗作弊者的入侵

期刊：Nature Communications

IF₂₀₂₀：12.12

发表时间：2018.04

通讯作者：Fan Jin

通讯作者单位：中国科学技术大学合肥微尺度物理科学国家重点实验室

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