铜绿假单胞菌通过环状位移机制利用鼠李糖脂驱离肺炎克雷伯菌以规避铁竞争

这篇研究揭示了铜绿假单胞菌（Pa）在铁限制条件下通过RhlR/I群体感应（QS）系统调控鼠李糖脂（rhamnolipid）生物表面活性剂的合成，以非杀伤性环状位移（toroidal displacement）方式驱离肺炎克雷伯菌（Kp），从而独占地获取铁资源。该发现阐明了微生物竞争中一种新型的物理性防御策略，为理解多病原体共存环境中营养竞争与毒力因子协同进化提供了新视角。

　　

微生物竞争的独特策略：环状位移与铁资源争夺

摘要

自然界中微生物竞争常依赖毒素或酶的直接杀伤，而铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, Pa）与肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae, Kp）的相互作用却展现出一种前所未有的物理性排斥机制。研究发现，在铁限制条件下，Pa通过RhlR/I群体感应系统激活鼠李糖脂合成，将Kp细胞从基质表面推离形成环状清除带（clearance zone），而非传统杀伤。这一现象被命名为“环状位移”（toroidal displacement），揭示了微生物为规避资源竞争演化出的创新策略。

引言

多微生物共存环境中，铁作为生命必需元素常引发激烈争夺。Pa与Kp均是临床常见耐药病原体，共生于肺炎、慢性伤口等感染灶中。既往研究多聚焦于毒素介导的杀伤机制，而本研究通过固体培养基共培养体系，首次发现Pa在贫铁培养基（M9/M8）中通过表面活性剂物理驱离Kp，而在营养丰富的LB/BHI培养基中两者和平共存。

结果

1. 培养基依赖性互作
Pa与Kp的互作高度依赖营养条件。在M9/M8培养基上，Pa中心接种点周围形成直径约7 mm的清除带，而LB/BHI中无此现象。荧光标记实验显示Kp细胞被推挤至环状聚集区（toroid zone），且活死染色证实该过程无显著细胞死亡。

2. 群体感应的关键作用
基因敲除实验表明，RhlR/I系统（调控C4-HSL信号分子）是环状位移的核心调控者。rhlR突变体驱离能力显著减弱，而LasR/I系统及蛋白酶（LasA/B）则非必需。

3. 鼠李糖脂的推挤机制
202种Pa突变体筛选中，仅rhlA/rhlB（鼠李糖脂合成酶基因）突变体丧失驱离能力。外源添加鼠李糖脂可模拟Pa的推挤效应，尼罗红染色证实其在环状聚集区富集。

4. 铁限制的驱动效应
铁补充（≥2 μM）完全抑制环状位移，而铁螯合剂（2,2′-联吡啶）可恢复该现象。qPCR显示铁限制显著上调Pa的pyoverdine（铁载体）及rhlA/B基因表达，同时Kp的enterobactin/yersiniabactin等铁载体合成通路也被激活。

5. 竞争特异性
Pa仅对Kp表现环状位移，而对大肠杆菌、沙门氏菌等无效。Kp的yersiniabactin缺陷株（ybtU）因铁获取能力降低，被推挤效率下降，印证铁竞争是核心驱动力。

讨论

传统认知中，Pa通过氰化氢、吩嗪等毒素攻击竞争者，而本研究揭示其可根据环境灵活切换策略：在贫铁条件下，通过“生物表面活性剂武装”物理清场，避免两败俱伤的杀伤性竞争。鼠李糖脂此前已知参与生物膜分散、群游运动（swarming），本研究为其赋予了“微生物推土机”的新功能。

临床意义上，Pa-Kp的互作模式可能影响多病原体感染灶的群落结构，尤其在慢性伤口或囊性纤维化患者的低铁环境中。未来研究可探索其他营养限制（如生物素）是否触发类似机制，以及该现象在体内的病理相关性。

材料与方法

实验采用Pa PA14与Kp KPPR1菌株，通过点-草坪共培养、CFU计数、qPCR、铁载体定量等手段验证假设。基因操作包括rhlR/I互补株构建及siderophore缺陷株表型分析，统计学处理采用ANOVA与Tukey检验。

（注：全文严格基于原文数据，未添加非文献支持结论，专业术语均保留英文缩写及符号规范如Fe²⁺
/Fe³⁺
、ΔpvdE等。）