【LorMe周刊】多多益善：与农作物共生的链霉菌
作者：孙天宇，南京农业大学博士在读，主要研究根际抑病核心放线菌群互作及调控。
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！本期周刊介绍链霉菌对于主导作物营养吸收和维持作物健康方面未来的方向，以及农业上使用这些微生物的风险和效益。原文于2017年发表在《Trends in Plant Science》。
链霉菌是放线菌门的一个主要分支，这些革兰氏阳性丝状原核生物普遍存在于土壤和海洋沉积物中，也存在于植物的根际或根内。鉴于其丰富的次生代谢物的合成潜力，几十年来，人们在医学领域对链霉菌属进行了广泛研究。但与之相比，与植物互作的链霉菌并没有引起人们过多的注意。近年来，随着基因组学、代谢组学和生物技术的进步，为链霉菌的研究提供了重要的技术支撑，也为农业上链霉菌次级代谢产物的应用打下了基础。在本篇综述文章中，我们提出了链霉菌对于主导作物营养吸收和维持作物健康方面的展望，也讨论了在农业上使用这些微生物的风险和回报。
关于链霉菌的复合生物学已引起学术界和工业界的广泛关注，科学家试图在人类疾病中寻找具有生物活性的次生代谢物。因此，目前对存在于这些生物体生命周期的代谢物生物合成的调节具有广泛的知识背景。基因组测序技术的出现彻底改变了链霉菌非核糖体肽合成酶（NRPS）和聚酮体合成酶（PKS）生物合成基因簇代谢产物的生产。核心链霉菌基因组的存在，加快了与农业相关菌株的工程化进展。此外，比较基因组的分析显示出链霉菌的次级代谢产物基因簇具有高度的多样性。因此，解决这些问题将有助于生物技术的进一步创新。目前已经知道链霉菌在次生代谢物生产方面的巨大潜力。一些链霉菌是通过转基因和诱变进行的生物技术工程菌，可作为宿主从抗遗传操纵的菌株中产生代谢物。关于链霉菌的发育和转录调控也已具备大量的背景知识。最近，合成生物学工具的增加正在为解决链霉菌遗传工程中长期存在的局限性，进行创新并为可接受的方法铺平道路。基于CRISPR/Cas9的新型克隆和基因组编辑方法允许多重基因修饰来增强、重组或抑制次级代谢物的表达。除了对菌株进行基因工程外，基于发酵和营养参数优化的生物工艺改进技术也有利于目标代谢产物的生产并防止有害化合物的生物合成。
四个链霉菌菌株(S.lydicus WYEC108、S.violaceusniger YED9、S.griseoviridis K61和S.saraceticus K400)包含在六种不同的商业制剂中，这些制剂用于真菌和细菌性土壤疾病的生物控制。由于其抗真菌代谢物及其几丁质酶和葡聚糖酶的广泛影响，这些菌株通常在植物病原学方面被广泛应用。例如产品Actinovate®(Streptomyces lydicus WYEC 108 )和Mycostop®( Streptomycesgriseoviridis K61 )，仅限于处理土壤。相比之下，由链霉菌合成的三种纯化代谢物（多元醇、链霉素和卡舒霉素）目前作为叶面喷雾剂和杀菌剂被广泛使用。这些活性化合物是几十年前发现的，针对的是微生物中极其保守的生物过程，这表明它们可以广泛地影响植物的微生物群落。
图1 链霉菌产生保护作物的代谢产物和酶
由图可知，大多数链霉菌（Streptomyces spp.）位于地下，尤其是在根际，它们可以抑制微生物病原菌的根系定殖。（1）研究表明，由多种链霉菌产生的抗真菌挥发性化合物可能是这些土壤抑制病性的关键成分。（2）链霉菌能通过根刺激有益菌定殖，进而促进植物吸收营养，也通过直接提高土壤养分的有效性来支持植物营养。（3）链霉菌释放植物激素或其他化合物，促进植物的发育，并在寄主的根部和地上部分激活系统免疫启动。（4）虽然链霉菌很少栖息在植物叶片上，但利用生物活性链霉菌化合物进行叶面喷施可预防微生物和无脊椎动物引起的病害，并阻碍真菌毒素的积累。
已知有多株植物致病性链霉菌分离株，但目前只分离出约20种具有植物毒性、除草和杀藻的次级代谢物，因此需要进一步发展这一研究领域。草丁膦是由链霉菌生产的谷氨酰胺合成酶抑制剂，自20世纪90年代以来一直被用作除草剂，特别是在转基因植物的选择过程中。我们需要确保农业中使用的菌株在释放到作物上时不会具有植物毒性特征。然而，我们也可以利用这些特性来开发生物除草剂。如疥疮链霉菌生产的纤维素合成酶抑制剂thaxtomin A生物合成的生物技术工程正在实现产业化。同时，缺乏thaxtomin A合成能力的菌株可作为生物防治剂与野生型强毒株进行无症状竞争。
链霉菌在植物与有益微生物和有害微生物相互作用的精细调节是一种很有前途的候选菌株。针对昆虫、蛞蝓和线虫等的作物保护是另一个重要的开发领域。据报道，至少有20种化合物具有杀虫剂、杀线虫剂或杀软体动物活性。但它们的专一性和环境毒性在现阶段是有待商榷的，同时，很可能这类活性化合物的鉴定也被忽视了，因为它们既不适于筛选，也不具有药物研究的吸引力。
链霉菌是重要的化感细菌，在农业系统中部署它们需要严格的风险评估。具有杀菌特性的菌株很可能依赖于几种不同代谢产物和细胞外葡聚糖酶活性的协同作用。链霉菌产生的多种杀真菌化合物的组合可能会抑制植物病原菌遗传抗性的发展，从而抑制其对杀菌剂的敏感性。就传统农药抗药性反复出现的问题而言，在农业中部署链霉菌菌株可能是我们需要迈出的重要一步。相反地，链霉菌在农业中的使用或大量使用也可能会带来严重的问题。基因水平转移到其他动植物的风险和抗生素耐药性的发展是科学界仍在争论的关键伦理问题。最后，我们很难预测环境中细菌种群的行为。它们在环境中对植物有益的生物活性可能与实验室观察的结果有很大不同，这取决于当地的微生物区系和其他环境因素。因此，使用链霉菌代谢物而不是菌株可能加速对化学合成农药的替代。
我们从链霉菌在医学和农业领域的研究之间可以得出一些相似之处，但是将生物活性化合物转移到市场上可用产品中的限制条件完全不同。当涉及人类健康而不是粮食安全时，可接受的风险与可预期的收益之间的平衡是非常不同的。专门用于药物的用量很少，而植物检疫化合物则需要喷洒到数千英亩的土地上。但是，专为医学设计的药物也会释放到对非目标生物构成威胁的环境中。医疗费用可能大大高于农业上可接受费用（每英亩不能超过50），这种经济方面主要取决于健康和安全机构为授权上市产品的规定。尚未确定用于农业应用的链霉菌中生物活性化合物的纯化水平。现有的先例有限，当前的监管标准直接受到合成化学品审批路径的启发，而这条路径并不适用于活生物体及其衍生制剂。尽管如此，在公众和政治的角度上愿意在作物保护方面建立一个新的范例，可能会促进链霉菌未来在农业上的使用。重要的是，11种含有链霉菌代谢物的商业产品已在除非洲以外的各大洲的8个国家获得批准，这表明链霉菌代谢物在农业中的使用可以符合世界范围内的监管程序。
论文信息
原名：Plenty Is NoPlague: Streptomyces Symbiosis with Crops
译名：多多益善：与农作物共生的链霉菌
期刊：Trends in Plant Science
IF2020：14.416
发表时间：2017.01
通讯作者：Thomas Rey
通讯作者单位：图卢兹大学-植物科学研究实验室