【LorMe周刊】量体裁衣：微生物通过群感效应调节不同铁载体的生产
作者：邵正英，南京农业大学博士在读。主要研究铁载体介导的根际细菌互作。
研究表明微生物铁载体产生受群感效应的调节，但群感效应对铁载体种类以及产量的调节作用缺乏研究。本文以哈氏弧菌为例，探究了群感效应、铁载体以及铁素之间的关系。研究发现哈氏弧菌中单个铁载体基因簇既可生产胞膜铁载体（吸附于细胞膜上）也可生产胞外铁载体（分泌到细胞外），并主要受群感效应以及铁离子调节。在菌株的生长过程中，胞膜铁载体浓度逐渐下降，而胞外铁载体持续积累。实验结果表明生长稳定期胞外铁载体的产量接近于细胞吸收能力的极限。因此作者认为胞膜铁载体和胞外铁载体的同时存在有利于菌株在不同生长阶段和不同环境中的生长，菌株通过群感效应对其种群规模的“感知”来调节不同铁载体的产生，避免不必要的浪费。
哈氏弧菌BAA-1116可产生一种胞膜铁载体amphi-enterobactins和一种分子量更小，可分泌到胞外的胞外铁载体anguibactin。有研究表明，群感效应可调节哈氏弧菌BAA-1116铁载体的产生，并且随着群感效应信号分子的积累铁载体产量发生下降。本文结果表明加入信号物质HSL对细胞增长没有影响，而添加铁离子显著促进了菌株的生长（图1A）。通过对两种铁载体的相关基因进行检测发现，两个amphi-enterobactin相关基因表达量在添加信号分子HSL和铁离子后都发生下调（图1B）。但anguibactin相关基因在信号分子以及铁处理下都没有变化，且表达量很低（图1C）。
图1哈氏弧菌对铁离子以及群感效应信号分子的响应
(A)不同铁离子浓度和信号分子处理下菌株的生长情况；(B) amphi-enterobactin合成基因表达情况(C) anguibactin合成基因表达情况(D) amphi-enterobactin产量(E) DHBA产量(F)DHB-Ser产量
进而利用LC-MS对铁载体产量进行测定，发现amphi-enterobactin受到铁离子和群感效应信号分子的抑制，而anguibactin则没有检测到（图1D）。这说明，amphi-enterobactin的生产受到群感效应和铁离子的调节，而anguibactin的合成对两者没有响应。此外，进一步利用LC-MS对菌株其他铁载体进行检测，结果发现两种胞外铁载体-DHBA和DHB-Ser，且二者产量远远高于amphi-enterobactin。DHBA和DHB-Ser也受到了铁和信号分子的抑制作用(图1E,F)。这说明这些铁载体受同样的基因簇调控，且amphi-enterobactin无法满足菌株的生长需求。
进一步对野生型菌株以及群感效应突变株的三种铁载体产量进行测定。结果发现在野生型菌株中，群感效应抑制了铁载体的产生。野生型菌株在生长指数期时amphi-enterobactin产量持续上升，但在稳定期时开始下降；而DHBA和DHB-Ser产量持续增长并在这两个时期均高于胞膜铁载体amphi-enterobactin的产量（图2）。这可能是因为amphi-enterobactin吸附在细胞膜上，仅对自身有效，而DHBA和DHB-Ser分泌到细胞外可被相邻细胞获得，利于其他菌株的生长。
胞膜铁载体和胞外铁载体也具有不同生态功能。在海洋环境中，胞膜铁载体可紧紧与细胞表面固定从而减少环境中铁载体丢失。但是在局限的环境中，如生物膜中，胞外铁载体同样可以维持生长。因此，哈氏弧菌铁载体的产生模式可以为菌株在不同的生长阶段、不同环境的生长提供益处。
图2不同生长阶段铁载体产量
铁离子对铁载体的抑制作用可能是为了避免不必要铁载体的产生，而群感效应对铁载体的抑制可能是为了将资源向生长或者分化方向进行投放。当细胞密度足够大时，铁载体浓度相较于单位大分子铁载体产量更能决定细胞铁吸收速率。此外，由于细胞内的铁运输速率以及细胞内的铁载体运输表面积有所限制，因此细胞铁吸收速率也存在上限。实验结果也发现，当DHBA浓度高于2 μM时(相当于菌株稳定期产生DHBA的浓度，图2)，细胞铁吸收达到饱和，且回报递减(图3)。这说明，群感效应对DHBA最大浓度的调节与细胞的最大摄取能力有关。因此，群感效应对铁载体生产的抑制可能是哈氏弧菌利用其对种群规模的“感知” 对铁载体的产生进行的合理调节。
图3 对不同浓度DHBA处理下铁吸收速率
图4 哈氏弧菌生长过程中铁载体的产生情况
随着细胞生长，单位细胞的铁载体产量发生下降，胞膜铁载体的浓度最初由于生长而增加，但最终由于群感效应的抑制和自身降解而浓度降低。尽管群感效应对铁载体产生进行了抑制，但由于种群规模持续增大，DHBA和DHB-Ser进一步积累
本文发现哈氏弧菌拥有一个铁和群感效应共同调节的“二对一”铁载体基因簇，它既可分泌胞膜铁载体供自身使用也可产生胞外铁载体供其他细胞使用，并且小分子胞外铁载体DHBA和DHB-Ser含量显著高于胞膜铁载体。作者认为两类不同铁载体具有不同的生态效用，在浮游生长的情况下，胞膜铁载体可以有效提高铁素吸收，防止铁载体在游离环境中损失；但在侵染环境或者局限的非均一环境中，DHBA和DHB-Ser可以积累的更多，在铁素吸收上发挥更加主要的作用。因此，作者认为两类铁载体可以协同工作，微生物利用群感效应使得其可以依据不同的生长阶段和不同的生长环境中，更加准确的合成所需要的铁载体。
论文信息
原名：Quorum sensing and iron regulate a two-for-one siderophoregene cluster in Vibrio harveyi
译名：哈氏弧菌中群感效应和铁“二对一”调节铁载体基因簇
期刊：PNAS (2018)
发表时间：2018.06
通讯作者：Darcy L. McRosea
通讯作者单位：普林斯顿大学地球科学系