根瘤菌铁载体利用策略的进化：异源铁载体受体与自身铁载体摄取系统的适应性演化

《The ISME Journal》：Evolution of rhizobial siderophore utilization via accessory xeno-siderophore receptors and flexible intake machinery for self-produced siderophores

本研究针对大豆根瘤菌（Bradyrhizobium与Sinorhizobium）在酸性/中性土壤和碱性土壤中的分布差异机制，通过比较基因组学、表型分析和实验进化等方法，揭示了铁载体合成与利用策略的进化适应。研究发现，Bradyrhizobium通过丰富的异源铁载体（xeno-siderophore）受体利用其他菌产生的铁载体，而Sinorhizobium则依赖自身铁载体合成能力。竞争结瘤实验表明，在铁限制条件下，异源铁载体利用能力赋予Bradyrhizobium竞争优势。该研究为微生物地理分布机制提供了分子生态进化证据，并为复合菌剂开发提供了理论依据。

　　

在大自然的微观世界中，土壤微生物如同隐藏的工程师，默默驱动着地球关键元素的生物地球化学循环。其中，根瘤菌因其与豆科植物共生固氮的特殊能力，在农业可持续发展中扮演着不可或缺的角色。然而，一个有趣且长期困扰微生物生态学家的问题是：为什么在不同酸碱度的土壤中，与大豆共生的根瘤菌种类会呈现出明显的分布规律？具体而言，慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）通常在酸性和中性土壤中占主导地位，而中华根瘤菌（Sinorhizobium）则更适应碱性土壤环境。传统研究多依赖于野外观察和相关性分析，对于这种分布格局背后的分子机制和进化动力，我们知之甚少。

铁是几乎所有生物体必需的营养元素，但在有氧和中性或碱性pH条件下，铁主要以不溶性的三价铁（Fe³⁺）形式存在，生物利用度极低。为了获取铁，许多微生物会合成并分泌一种称为铁载体（siderophore）的小分子螯合剂，它能高亲和力地结合Fe³⁺，形成的复合物再通过细胞膜上的特异性受体被吸收。在酸性土壤中，可溶性的二价铁（Fe²⁺）相对丰富，维持铁载体合成能力可能并非最优策略。那么，根瘤菌对铁载体“自力更生”（合成）还是“坐享其成”（利用他人合成的异源铁载体）的不同策略，是否正是它们适应不同pH土壤的关键呢？这项发表在《The ISME Journal》上的研究为我们揭开了谜底。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项多层次的研究。他们首先对286个Bradyrhizobium和322个Sinorhizobium基因组进行了比较基因组学分析，系统评估了其次级代谢物生物合成基因簇的分布。随后，通过体外培养实验测定了代表性菌株在不同pH和铁限制条件下的生长曲线及铁载体产量。通过竞争性结瘤实验，评估了不同铁载体利用策略对根瘤定殖能力的影响。最后，利用实验进化方法，探究了Sinorhizobium fredii在缺失自身铁载体受体的情况下，如何快速进化出替代性的铁摄取机制。

研究发现，两种根瘤菌在铁载体相关基因的分布上存在显著差异。大多数Bradyrhizobium菌株缺乏完整的铁载体生物合成基因簇，但却拥有异常丰富的异源铁载体受体编码基因，平均每个基因组有4.16个受体，且受体类型多样，能够识别羟基肟酸盐（hydroxamates）、儿茶酚酸盐（catecholates）等多种铁载体。相反，Sinorhizobium基因组中富含完整的铁载体生物合成基因簇（如负责合成petrobactin和rhizobactin的基因簇），但其受体数量较少（平均3.10个/基因组）。这种基因分布格局与它们的生长表型相符：Bradyrhizobium在铁限制的中性pH条件下生长严重受限，而Sinorhizobium则能稳健生长。重要的是，Bradyrhizobium diazoefficiens USDA110（BD110）的生长缺陷能够被Sinorhizobium fredii CCBAU45436（SF45436）等铁载体生产菌的无细胞培养上清液所挽救，证明BD110确实能够利用异源铁载体。

竞争结瘤优势

研究进一步将这种自由生活状态下的优势延伸到了与宿主的相互作用中。在竞争结瘤实验中，研究人员将绿色荧光蛋白（GFP）标记的BD110（天然异源铁载体利用者）或SF45436ΔasbA（工程化的铁载体合成缺陷菌，模拟利用者）与SF45436（生产者）或SF45436ΔfprAΔfoxA（双受体缺失突变体， altruistic 生产者）以1:1比例混合后接种大豆。结果表明，无论是在正常供铁还是铁限制条件下，BD110-GFP和SF45436ΔasbA-GFP在根瘤中的占据率均显著高于它们的竞争对手。这强有力地证明，异源铁载体利用能力为根瘤菌在竞争结瘤过程中提供了关键优势。

快速实验进化

更有趣的是，当研究人员将BD110的八个异源铁载体受体基因（SR1-SR8）分别导入自身铁载体受体FprA缺失的SF45436突变体（SF45436ΔfprA）中后，在铁限制条件下进行实验进化。他们发现，某些进化克隆株能够快速恢复生长。基因组重测序鉴定出多个适应性突变，分别位于编码血红素受体（c24120）、多糖脱乙酰酶（b56940）、孔蛋白（c07550）、TonB系统组分ExbD（e12840）以及cAMP依赖性蛋白激酶调节亚基（b56780）的基因中。反向遗传学实验证实，这些突变确实能够部分补偿FprA缺失造成的生长缺陷，并且这种补偿效应完全依赖于菌株自身合成petrobactin的能力。这表明，当主要的铁载体摄取途径失效时，Sinorhizobium能够通过基因组其他位点的快速突变，灵活地调整其铁载体利用机制。

该研究得出结论，Bradyrhizobium和Sinorhizobium为适应不同土壤pH环境，进化出了截然不同的铁获取策略。Bradyrhizobium作为“投机者”，在铁资源丰富的酸性土壤中卸下了铁载体合成的负担，转而通过储备多样化的异源铁载体受体库，以便在中性pH铁限制环境中高效“窃取”竞争对手产生的铁载体，从而获得生态优势。而Sinorhizobium作为“生产者”，则依赖于自身合成铁载体的能力在碱性/中性缺铁环境中生存，并且其基因组保留了快速进化出替代性摄取机制的潜力，展现出对自身铁载体利用的灵活性。这项研究从铁载体这一微观分子策略入手，深刻地揭示了微生物地理分布格局形成的生态进化机制，不仅增进了我们对土壤微生物适应性的理解，也为设计能够适应更广泛土壤pH条件的复合根瘤菌接种剂提供了重要的理论依据和实践指导。