群体感应调控脱氮副球菌细胞聚集的分子机制：Pxm多糖介导的生物膜形成与解离

《ISME Communications》：Quorum sensing regulates a polysaccharide biosynthesis gene to control cell aggregation in Paracoccus denitrificans

本研究揭示了非运动型脱氮副球菌（Paracoccus denitrificans）通过LuxI/LuxR型群体感应（QS）系统调控多糖合成基因pxm的表达，从而抑制细胞间黏附、维持薄层生物膜结构的独特策略。研究人员结合微流控技术证实，Pxm过表达会导致生物膜增厚并伴随坏死核心形成，而BapA黏附蛋白在空间受限环境中协同调控细胞逃逸。该研究为理解非运动菌在土壤等复杂环境中的生存适应性提供了新视角，对生物膜控制技术具有启示意义。

　　

在微生物世界中，生物膜是细菌为适应环境压力而形成的“城市”——细胞包裹在自身分泌的胞外聚合物（EPS）中，聚集成团以求生存。然而，这种密集聚居虽能抵御外界胁迫，却也导致内部营养耗竭、代谢废物堆积，甚至引发细胞死亡。长期以来，科学家对生物膜的研究多集中于铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）或霍乱弧菌（Vibrio cholerae）等运动型模式菌，它们能通过主动运动从厚实生物膜中逃逸。但对于像脱氮副球菌（Paracoccus denitrificans）这类非运动型细菌，如何调控生物膜的聚集与解离，始终是未解之谜。

脱氮副球菌是土壤和污水处理系统中的关键反硝化菌，在全球氮循环中扮演重要角色。与经典厚生物膜不同，它仅形成数微米的薄层生物膜。这种结构如何维持？其背后是否隐藏着不同于运动菌的生存策略？为回答这些问题，日本筑波大学的研究团队在《ISME Communications》发表论文，揭示了群体感应（Quorum Sensing, QS）通过调控多糖合成基因pxm，精确控制细胞黏附与生物膜架构的机制。

关键技术方法

研究通过构建转座子突变体库筛选聚集缺陷株，结合ConA荧光染色和扫描电镜（SEM）观察多糖分布；利用实时定量PCR（RT-qPCR）检测pxm与bapA基因表达；通过微流控装置模拟不同空间限制（半限制2.0 μm、限制1.3 μm高度）环境，分析微菌落动态；采用活/死细胞荧光染色评估生物膜存活率。

结果分析

1. 鉴定调控脱氮副球菌Pd1222细胞聚集的关键基因

野生型（WT）菌株在液体培养中无聚集现象，而QS信号合成酶基因pdnI缺失突变体（ΔpdnI）形成显著聚集体和粗糙菌落。通过转座子突变库筛选，发现插入基因Pden_0842（命名为pxm）的突变体丧失聚集能力。pxm编码磷酸糖基转移酶，推测其参与EPS合成。

2. Pxm促进ΔpdnI突变体的细胞聚集

Δpxm单敲除及ΔpdnIΔpxm双敲除菌株均恢复平滑表型，且ConA染色和SEM显示ΔpdnI聚集体中存在纤维状EPS结构，而WT及突变体无此现象。这表明Pxm是细胞间黏附的关键因子，且其在ΔpdnI中表达上调。

3. 群体感应调控pxm与bapA表达

RT-qPCR显示ΔpdnI中pxm表达量较WT升高5倍，外源添加C16-HSL可恢复至WT水平；bapA（编码表面黏附蛋白）表达同样受QS抑制。受体蛋白PdnR缺失或C16-HSL补充实验证实，QS信号通路通过抑制pxm表达阻止过度聚集。

4. Pxm与BapA在生物膜形成中的作用

WT形成薄生物膜（~5 μm），ΔpdnI形成厚膜（~20 μm）且存活率降至60%（WT为90%）。pxm过表达菌株（如WT/pBpxm）均出现厚生物膜，而ΔpdnIΔbapA虽缺失BapA，仍因Pxm过表达恢复表面附着能力，表明Pxm可次级介导黏附。

5. 半限制与限制环境中微菌落表型

在半限制（2.0 μm）微流控室中，WT、Δpxm等薄生物膜菌株出现细胞逃逸（~0.05 cells·h^?1·μm^?1），而ΔpdnI（高表达BapA与Pxm）几乎无逃逸。ΔpdnIΔbapA（仅高表达Pxm）逃逸率与WT相近，说明BapA是表面锚定主导因子。在高度限制（1.3 μm）环境下，所有菌落形态趋同，仅ΔbapA无法定植。

结论与意义

本研究首次揭示非运动型脱氮副球菌通过QS持续抑制pxm表达，维持薄层生物膜以优化营养获取的策略。Pxm过表达导致厚生物膜与坏死核心，而BapA在空间受限时协同调控细胞逃逸。该机制可能是非运动菌在土壤等孔隙环境中的适应性进化——避免生物膜过度增厚阻塞营养通道，弥补其缺乏运动能力的劣势。研究为理解微生物在复杂环境中的群体行为提供了新范式，对农业微生物调控及生物膜相关工程应用具有潜在价值。