细菌中未被重视的色氨酸代谢途径鉴定：聚焦根际细菌的蒽醌酸途径

《Heliyon》：Identification of overlooked tryptophan catabolism pathways in bacteria: a focus on rhizobacteria

本研究针对植物根际细菌色氨酸(Trp)代谢途径研究不足的现状，通过生物信息学手段系统分析了细菌界Trp降解途径的分布与进化特征。研究发现蒽醌酸途径在土壤及植物相关细菌中广泛存在，且在固氮螺菌属中呈现与植物生长促进特性相关的特异性分布模式，为解析根际微生物-植物互作机制提供了新的代谢视角。

　　

在微生物与植物相互作用的复杂网络中，色氨酸(Trp)代谢一直扮演着关键角色。这种芳香族氨基酸不仅是蛋白质合成的必需组分，更是多种生物活性分子的重要前体。长期以来，研究人员对动物肠道微生物的Trp代谢机制进行了深入探索，发现其代谢产物在调节宿主免疫、神经功能等方面发挥着重要作用。然而，当我们把目光转向植物根际——这个与动物肠道有着惊人相似性的微生物栖息地时，却惊讶地发现我们对根际细菌的Trp代谢认知存在显著空白。

目前的研究大多聚焦于根际细菌通过Trp合成植物生长素吲哚-3-乙酸(IAA)的途径，这主要是因为IAA在促进植物生长方面的突出作用。但在这种"唯生长素论"的研究范式下，其他重要的Trp代谢途径却被相对忽视。尤其值得关注的是，许多具有植物促生能力的根际细菌并不产生IAA，但它们仍然能够有效促进植物生长，这暗示着可能存在其他未被发现的Trp代谢机制在植物-微生物互作中发挥作用。

在这种研究背景下，法国里昂大学的研究团队在《Heliyon》上发表了他们的最新研究成果。为了系统揭示细菌界Trp代谢途径的分布规律，研究人员选取了131个代表性细菌基因组进行分析，其中包括26个Azospirillum属菌株和105个其他细菌物种，特别关注了37个来自土壤或植物环境的菌株。

研究团队采用BLASTP算法进行同源序列筛选，设置严格的阈值条件(p值<10^-40，查询覆盖率>80%，相似性>20%)。对于含有通用结构域的酶蛋白，研究人员还结合基因组上下文分析和关键催化位点保守性验证进行结果校正。通过多序列比对和系统发育分析，构建了基于RpoD、RecA和GyrA分类标记的最大似然系统发育树，确保了分类的准确性。

研究首先揭示了色氨酸代谢途径在细菌界的分布特征。研究结果显示，犬尿氨酸途径相关基因在细菌界的分布范围远超过其他Trp降解途径。值得注意的是，作为犬尿氨酸途径前三个步骤的蒽醌酸途径，在土壤来源或植物相关细菌中尤为常见。在分析的37个植物或土壤来源菌株中，有27个(73%)含有编码色氨酸-2,3-双加氧酶(TDO)和/或kynureninase的基因，这一发现凸显了该途径在根际环境中的潜在重要性。

进化分析揭示了不同酶蛋白的独特进化轨迹。TDO编码基因(kynA)主要呈现垂直传递模式，其系统发育树与细菌分类学高度一致，形成了五个明显分支。相比之下，kynurenine formamidase同工酶基因的进化历史更为复杂，存在两个结构不同的家族：具有环化酶样活性的KFA(由kynB编码)和具有水解酶活性的AFMID(由afmid编码)。这两种同工酶在细菌中的分布不具有分类学特异性，且从不共现，提示可能存在通过水平基因转移进行的基因替换事件。

最为有趣的是kynureninase(KYNU)的进化模式。系统发育分析显示，KYNU序列形成了与分类学不一致的聚类 pattern，其中分支2的菌株(黄杆菌目、粘球菌等)的kynU-kmo-nbaC基因簇可能来源于真核生物的水平基因转移。基于这一发现，研究人员提出可根据KYNU的系统发育特征来区分具有犬尿氨酸途径(通过KMO路线)和仅具有蒽醌酸途径的菌株。

基因组织结构分析表明，蒽醌酸途径的三个关键基因(kynA、kynB/afmid和kynU)在多数菌株中紧密连锁，其中15个菌株中形成了典型的操纵子样结构。在β-变形菌纲中，该基因座的组织结构高度保守，而在其他类群(如假单胞菌属、慢生根瘤菌属、链霉菌属)中则表现出较大的变异性。

研究人员进一步聚焦于植物促生菌Azospirillum属的深入分析。系统发育分析将该属菌株分为两大类群："brasilense"分支(包括A. brasilense、A. baldaniorum等)和"lipoferum"分支(包括A. lipoferum、A. oryzae等)。研究发现，这两个分支在Trp代谢途径上呈现出明显的互补分布特征。

brasilense分支的菌株普遍含有ipdC/ppdC基因，能够通过吲哚-3-丙酮酸(IPyA)途径合成IAA，这与该分支菌株较强的植物根系构型调控能力相一致。相反，lipoferum分支的菌株(如Azospirillum sp. 4B)则含有完整的蒽醌酸途径基因(kynA、afmid和kynU)，但几乎不产生IAA。值得注意的是，这两种Trp代谢途径在Azospirillum菌株中呈现互斥分布，提示可能存在代谢底物竞争或功能互斥的现象。

特别值得关注的是，大多数从植物相关环境分离的Azospirillum菌株(90%)都含有至少一种Trp降解途径，而从非植物环境分离的菌株则往往缺乏这些途径。这一分布特征强烈暗示了Trp代谢途径在植物-微生物互作中的适应性价值。

保守性分析显示，TDO和KFA蛋白在细菌界具有较高的序列保守性，分别有21.8%和22.4%的位点在90%以上的物种中保守。而AFMID和KYNU的保守性相对较低，仅有6.7%和12.3%的位点达到同等保守水平。这种差异反映了不同酶蛋白在进化过程中受到的不同选择压力。

该研究的结论部分强调了Trp代谢在植物相关细菌中的保守性和多样性。研究表明，蒽醌酸途径在根际细菌中的广泛分布提示其在植物-微生物互作中可能发挥着迄今未被重视的作用。Azospirillum属菌株在Trp代谢途径上的分化，反映了两类不同的生态适应策略：一类通过产生IAA直接调控植物根系发育，另一类则可能通过蒽醌酸等代谢产物以更为间接的方式影响植物生理。

这一发现不仅拓展了我们对根际微生物代谢多样性的认知，也为开发基于微生物的农业增产技术提供了新的思路。未来研究需要进一步验证这些预测的代谢途径在植物-微生物互作中的具体功能，探索蒽醌酸等代谢产物对植物生长的调控机制，从而为可持续农业发展提供理论基础和技术支撑。