南极内生细菌：助力植物低温生长的 “幕后英雄”

为探究南极细菌内生菌特性，研究人员对其功能及基因组分析，发现其可促植物生长、耐寒，意义重大。

　　在寒冷的南极地区，植物的生存面临着诸多挑战，低温环境就像一座难以逾越的大山，阻碍着植物的生长和繁衍。而在植物的内部，有一种神秘的 “小帮手”—— 细菌内生菌（Bacterial endophytes），它们悄无声息地居住在植物组织中，对植物的生长发育起着至关重要的作用。复杂的微生物群落与适应寒冷的植物相伴而生，这些微生物群落中的细菌内生菌，被认为可能是植物在低温环境下生存的关键因素之一。然而，目前关于南极细菌内生菌的功能特性和基因组特征，人们知之甚少，就像在黑暗中摸索，缺乏清晰的认知。

为了揭开南极细菌内生菌的神秘面纱，来自意大利特伦托大学农业食品环境中心（Center Agriculture Food Environment，C3A）等研究机构的研究人员 Giorgio Licciardello、Livio Antonielli 等人，开展了一项深入的研究。他们的研究成果发表在《Polar Biology》杂志上，为我们理解南极细菌内生菌与植物的关系提供了新的视角。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先是细菌分离和接种物制备，从南极植物表面消毒的叶子中分离出 Ewingella sp. 和 Pseudomonas sp.，并制备细菌悬浮液用于后续实验；其次是对植物生长促进作用的评估，通过处理番茄种子并观察不同温度下番茄幼苗的根长来判断；再者是基因组测序与分析，对细菌基因组进行测序、组装、注释，确定基因功能；最后是系统发育基因组分析，构建系统发育树确定细菌的分类地位 。

下面来看看具体的研究结果：

1. Ewingella sp. 和 Pseudomonas sp. 在低温下展现植物生长促进活性：研究人员发现，南极细菌内生菌能够促进番茄幼苗的生长。在 15 ± 1°C（冷胁迫条件）下，接种 Ewingella sp.、Pseudomonas sp. 或它们的细菌联合体（bacterial consortium）的番茄幼苗，根长比未接种（mock-inoculated）的幼苗更长；而在 25 ± 1°C（非胁迫条件）下，这种促进作用并不明显。这表明南极细菌内生菌在植物处于非最佳生长条件时，能更好地发挥其有益特性。在体外实验中，Ewingella sp. 在 25 ± 1°C 和 4 ± 1°C 下都能产生吲哚 - 3 - 乙酸（indole-3-acetic acid，IAA），而 Pseudomonas sp. 则不能；Ewingella sp.、Pseudomonas sp. 及其联合体都能产生氨（ammonia），但 Pseudomonas sp. 产生的氨较少；Pseudomonas sp. 和细菌联合体能够产生蛋白酶（proteases），Ewingella sp. 则无此能力；Ewingella sp. 和 Pseudomonas sp. 在 25 ± 1°C 下都能产生铁载体（siderophores），且细菌联合体产生的铁载体更多。
2. 南极细菌分离株的基因组特征：对 Ewingella sp. 和 Pseudomonas sp. 的基因组测序结果显示，它们的基因组大小分别为 13.35 和 13.83 兆碱基（Mbp），鸟嘌呤 - 胞嘧啶（guanine-cytosine，GC）含量分别为 51.57% 和 60.63%。基因组组装质量较高，Ewingella sp. 基因组组装成 38 个重叠群（contigs），Pseudomonas sp. 基因组组装成 71 个重叠群。基因预测表明，Ewingella sp. 和 Pseudomonas sp. 分别包含 4148 和 5983 个预测基因。系统发育基因组分析表明，Ewingella sp. 和 Pseudomonas sp. 分别与 Hafnia psychrotolerans 模式菌株和 Pseudomonas yamanorum 模式菌株在系统发育上较为接近，且平均核苷酸同一性（average nucleotide identity，ANI）值显示这两种南极内生细菌可能属于新物种。
3. Ewingella sp. 和 Pseudomonas sp. 的基因与植物生长促进和耐寒性相关：基因预测揭示，Ewingella sp. 和 Pseudomonas sp. 的基因组中包含许多与植物生长促进相关的基因，涉及氨基酸代谢和运输、细胞分裂素（cytokinin）代谢、乙烯（ethylene）代谢、铁运输、硝酸盐运输和还原、氮代谢和运输、磷酸盐代谢和运输、钾运输、铁载体代谢和运输、色氨酸和吲哚 - 3 - 乙酸代谢、锌运输等过程，还编码了一些裂解酶，如淀粉酶（amylases）、纤维素酶（cellulases）和蛋白酶。此外，它们的基因组中还包含与耐寒性相关的基因，如编码冷休克相关蛋白（cold shock-related proteins）、热休克相关蛋白（heat shock-related proteins）、脂质去饱和酶（lipid desaturases）、多胺代谢和运输、脯氨酸和甘氨酸甜菜碱运输、脯氨酸代谢、活性氧（reactive oxygen species，ROS）解毒、水杨酸（salicylic acid）代谢和运输、海藻糖（trehalose）代谢等的基因。不过，研究人员未在这两种细菌的基因组中发现与固氮、果胶和木聚糖裂解、赤霉素代谢和氰化氢生产相关的基因，同时发现 Ewingella sp. 和 Pseudomonas sp. 分别含有 9 个和 12 个抗菌抗性基因，但未发现毒力基因。

综合研究结论和讨论部分，这项研究具有重要意义。它揭示了南极细菌内生菌 Ewingella sp. 和 Pseudomonas sp. 在低温下对番茄幼苗生长的促进作用，以及它们的基因组中蕴含的与植物生长促进和耐寒性相关的基因。这不仅为我们理解南极微生物与植物的相互作用提供了重要依据，也为开发利用这些细菌促进植物在低温环境下的生长提供了潜在的途径。不过，目前仍有一些问题有待进一步研究，比如需要通过突变体实验验证这些基因的功能，还需要对受冷胁迫的植物接种南极细菌进行更多功能研究，以更好地了解植物生长促进的机制以及细菌定殖对减轻植物宿主冷胁迫的贡献。同时，对于发现的抗菌抗性基因，也需要进一步研究其在实际环境中的影响。总之，这项研究为后续深入探索南极细菌内生菌的奥秘奠定了坚实的基础。