调节枯草芽孢杆菌R31中的表面活性蛋白生物合成可改善其行为特征，并提高其对香蕉枯萎病菌的生物防治效果

《Microbial Biotechnology》：Modulating Surfactin Biosynthesis in Bacillus subtilis R31 Enhances Behavioural Traits and Biocontrol Efficacy Against Banana Fusarium Wilt

表面活性素是一类具有抗菌和信号传导双重功能的代谢产物，本研究通过过表达comK和phrC基因，使枯草芽孢杆菌R31的表面活性素产量提高45%。但过量表面活性素导致生物膜形成能力下降和运动能力减弱，影响根定植效率。宏基因组分析表明，表面活性素通过调控菌群结构抑制香蕉尖孢镰刀菌病原菌，其中高产量菌株的群落多样性降低。研究揭示了表面活性素在生物防治中产量与功能的平衡机制，为工程合成微生物群落提供理论依据。

　　本研究围绕一种重要的微生物代谢产物——表面活性肽（surfactin）展开，重点探讨了其在香蕉枯萎病防控中的双重作用机制。表面活性肽是一种由芽孢杆菌属（*Bacillus subtilis*）合成的脂肽类抗生素，不仅具有直接的抗菌能力，还能够通过群体感应（quorum sensing, QS）机制调控微生物间的相互作用。研究以* B. subtilis * R31菌株为对象，通过基因工程手段增强其表面活性肽的合成能力，从而探索其在病害防控中的潜在应用价值。这一研究不仅揭示了表面活性肽在微生物生态行为中的关键作用，还为构建人工合成微生物群落提供了新的思路。

### 一、表面活性肽的生物学特性与生态意义

表面活性肽自1968年首次在* B. subtilis *中被发现以来，因其独特的两亲性结构和广泛的功能特性而受到广泛关注。它不仅能够破坏病原微生物的细胞膜，还表现出良好的环境兼容性、热稳定性和表面活性，使其在农业、制药和工业领域具有广阔的应用前景。特别是在农业方面，表面活性肽因其天然来源和生物安全性，被广泛用于植物病害的生物防治。

在* B. subtilis *中，表面活性肽的合成受到* srfAA-AC *基因簇的调控，该基因簇通过非核糖体肽合成酶（NRPS）机制完成脂肽的合成过程。研究发现，* comK *和* phrC *这两个关键基因在表面活性肽的调控中发挥着重要作用。* comK *是群体感应调控系统中的核心转录因子，它不仅调控表面活性肽的合成，还参与细胞转化和群体感应的协同作用。而* phrC *则被认为是群体感应信号分子，它在调控细胞形态和行为方面具有独特的功能。通过对这些基因的超表达，研究成功地提高了* B. subtilis * R31菌株的表面活性肽产量，达到比野生型菌株高45%的水平。

然而，研究同时指出，表面活性肽的超量合成并非没有代价。尽管这种菌株在抗菌活性方面表现出色，但其生物膜形成能力和滑行运动能力却明显下降。这一现象表明，表面活性肽的高产量可能与菌株的生理行为存在一定的冲突。这种“二元性”为微生物的生态适应性提供了新的视角，即表面活性肽既可以作为抗生素，也可以作为信号分子，调控微生物群体的协同行为。

### 二、表面活性肽的双重功能与调控机制

表面活性肽的双重功能是本研究的核心发现之一。一方面，它能够通过破坏病原菌的细胞膜，直接抑制其生长；另一方面，它还能通过群体感应机制，调节微生物之间的相互作用。这种双重功能使其在植物病害防控中具有独特的生态价值。研究通过基因工程手段，将* comK *和* phrC *的表达水平提高，从而验证了表面活性肽的调控机制。

此外，表面活性肽还被认为在细菌的社会行为中扮演重要角色。它能够通过诱导细胞裂解，促进细胞外DNA（eDNA）的释放，这在细菌的水平基因转移中具有重要意义。同时，它还可能为自身提供一定的免疫保护。这种复杂的生物功能表明，表面活性肽不仅是一种代谢产物，更是一种生态信号分子，能够在微生物群体中发挥协调作用。

研究还发现，表面活性肽的合成与细菌的代谢调控存在密切关系。例如，* srfA *基因突变的菌株在没有表面活性肽或过量葡萄糖补充的情况下，无法有效利用替代碳源。这说明表面活性肽的合成可能与碳代谢调控存在某种交叉作用。因此，表面活性肽不仅是细菌的抗菌工具，还可能参与其代谢调控网络。

### 三、实验设计与方法

为了验证表面活性肽的调控效果，研究团队构建了三种超生产菌株：分别针对* comK *、* phrC *和* comK/phrC *双基因的过表达。这些菌株通过电穿孔技术导入* B. subtilis * R31中，并利用荧光蛋白（GFP）标记进行观察。实验过程中，通过不同浓度的菌液接种香蕉根部，并利用荧光显微镜观察其定殖情况。结果显示，野生型菌株在香蕉根部的定殖能力较强，而表面活性肽超产菌株则表现出较弱的定殖效果。

为了评估表面活性肽的生物活性，研究团队还进行了溶血活性测试，利用绵羊血琼脂平板观察其对红细胞的裂解效果。结果显示，表面活性肽的溶血活性与产量呈正相关，而超产菌株的溶血区域比野生型菌株更大，这进一步验证了其生物活性的增强。此外，研究还通过高通量液相色谱（HPLC）和定量实时PCR（qRT-PCR）技术，对不同菌株的表面活性肽产量和基因表达水平进行了定量分析。

### 四、微生物群落变化与病害防控效果

在病害防控方面，研究团队通过土壤微生物群落分析，探讨了表面活性肽对香蕉根际微生物的影响。实验发现，表面活性肽的高产量能够显著改变根际微生物的组成，使得有益菌群（如* Bacillus *）的丰度增加，而病原菌（如* Fusarium *）的丰度则下降。这一现象表明，表面活性肽不仅能够直接抑制病原菌，还能通过调控微生物群落，间接提升植物的抗病能力。

此外，研究还通过16S rRNA测序技术，分析了不同菌株对香蕉根际微生物的影响。结果表明，表面活性肽的调控作用具有选择性，能够促进有益菌的生长，同时抑制病原菌的侵袭。这说明表面活性肽在微生物群落调控中具有重要的生态意义，其作用不仅限于单一的抗菌功能，还可能通过调控微生物间的相互作用，实现更广泛的生态效应。

### 五、表面活性肽产量与病害防控之间的平衡

尽管表面活性肽的超产菌株在抗菌活性方面表现出色，但研究发现，其在根际定殖能力上有所下降。这表明，表面活性肽的产量与菌株的生态适应性之间存在某种平衡关系。如果表面活性肽的产量过高，可能会导致菌株在植物表面的定殖能力减弱，从而影响其病害防控效果。因此，研究提出了一种“适度生产”的策略，即在保持表面活性肽抗菌活性的同时，确保菌株在植物根部的定殖能力。

实验数据进一步支持了这一观点。例如，在50天病害评估中，野生型菌株的病害发生率最低，而表面活性肽超产菌株的病害发生率相对较高。这说明，尽管表面活性肽的抗菌能力增强，但其生态适应性却有所下降。因此，菌株的病害防控效果不仅取决于表面活性肽的产量，还与菌株在植物根际的定殖能力密切相关。

### 六、表面活性肽的生态调控机制

从生态角度来看，表面活性肽的调控作用不仅体现在其抗菌能力上，还体现在其对微生物群落的重塑能力上。研究发现，表面活性肽的高产量能够显著改变根际微生物的组成，使得有益菌群（如* Bacillus *）的丰度增加，而病原菌的丰度则下降。这种现象表明，表面活性肽可能通过某种信号机制，促进有益菌的生长，同时抑制病原菌的侵袭。

进一步的转录组分析显示，表面活性肽的调控作用与基因表达的变化密切相关。例如，某些与生物膜形成相关的基因（如* tasA *、* epsA *、* bslA *）在表面活性肽超产菌株中表现出显著的下调，这可能与生物膜形成能力的减弱有关。而另一些基因（如* abrB *）则表现出上调，这可能与生物膜的抑制有关。这些结果表明，表面活性肽的调控作用可能涉及多个基因和代谢通路，而不仅仅是单一的抗菌作用。

### 七、研究意义与未来方向

本研究不仅揭示了表面活性肽在* B. subtilis * R31菌株中的双重功能，还为微生物生态调控提供了新的思路。通过调控表面活性肽的产量，可以实现对微生物群落的优化，从而提升植物病害的防控效果。然而，研究也指出，表面活性肽的产量需要在一定范围内进行调控，以避免其对菌株生态适应性的负面影响。

此外，研究还强调了微生物群落调控在病害防控中的重要性。通过构建人工合成微生物群落，可以实现对病原菌的协同抑制，同时提升有益菌的竞争力。这种“协同优化”策略为未来的生物防控研究提供了新的方向，即通过调控代谢信号通路，提升微生物的生态适应性和功能表现。

未来的研究可以进一步探索表面活性肽在不同环境条件下的调控机制，以及其在其他植物病害防控中的应用潜力。同时，还可以研究其在不同微生物群体中的作用机制，以及如何通过基因工程手段实现更精确的调控。这些研究将有助于更深入地理解表面活性肽在微生物生态中的作用，并为其在农业中的应用提供理论支持和技术基础。