荧光假单胞菌PF07中Psl外泌多糖对生物膜形成和环境适应性的调节作用

《Microbiological Research》：Psl exopolysaccharide regulates biofilm formation and environmental adaptation in Pseudomonas fluorescens PF07

　　

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  PF07携带三个EPS生物合成基因簇，包括psl、alg和pga。
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  Psl是PF07生物被膜基质最主要的结构决定因子。
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  Psl在生物被膜对环境胁迫的耐受性中起主导作用。
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  转录组学揭示了Psl缺乏后生物体的胁迫适应和代谢重塑。

引言

在假单胞菌属中，生物被膜的形成主要由胞外聚合物（EPS）的产生驱动，包括多糖、蛋白质和胞外DNA等，其中多糖在塑造生物被膜结构和增强细胞韧性方面起着核心作用（Hwang等，2012）。在铜绿假单胞菌中，三种主要的外聚多糖——藻酸盐、Pel和Psl——已被广泛研究，并显示出在生物被膜发育过程中具有不同但部分重叠的功能，涵盖从初始附着到结构稳定和胁迫保护等多个阶段（Rahman等，2021）。此外，外聚多糖已被证明与环境胁迫下耐受性增强有关，包括消毒剂。EPS作为一种水合屏障，限制了有害物质的扩散，从而增强了细菌对低温、氧化胁迫、渗透胁迫和抗菌剂的耐受性（Flemming和Wingender，2001；Fulaz等，2019）。除结构功能外，不同的外聚多糖在不同环境条件下还表现出独特的保护作用。铜绿假单胞菌能产生多种外聚多糖，主要为Psl、Pel和藻酸盐，它们共同构成生物被膜基质，并在表面附着、结构发育和胁迫保护中表现出不同的、依赖于环境背景的功能。Psl促进细胞聚集并增强生物被膜稳定性，而Pel与对剪切力和氧化胁迫的耐受性相关。藻酸盐凭借其强大的保水能力，支持细菌在营养匮乏和低温条件下的存活。此外，EPS还能结合金属离子、营养物质和信号分子，并与胞外DNA和蛋白质相互作用，共同为生物被膜的结构稳定性和环境适应性做出贡献。尽管从铜绿假单胞菌中已积累了大量相关知识（Boyd和Chakrabarty，1995b；Colvin等，2012），但腐败相关假单胞菌中同源多糖的分布、调控和功能仍缺乏系统表征。

嗜冷细菌是导致冷藏食品腐败的主要因素，造成了巨大的经济损失和产品保质期的缩短（Wickramasinghe等，2019）。其中，荧光假单胞菌因其卓越的新陈代谢多样性和环境适应性，已成为主要的嗜冷腐败菌之一（Boulares等，2011；Shabana等，2022；Zhang等，2025）。作为嗜冷菌，该菌能在低温条件下增殖并形成生物被膜，使其能在食品冷链中占据微生物群落的优势地位。由于保护性生物被膜基质的作用，荧光假单胞菌表现出对氧化胁迫、渗透胁迫和化学胁迫的强耐受性，包括对常用消毒剂如次氯酸钠的暴露耐受（Liu等，2023）。值得注意的是，这种耐受性在很大程度上归因于其形成生物被膜和产生EPS的能力，二者共同保护内嵌细胞免受环境危害。

尽管已有多种外聚多糖被证实参与假单胞菌生物被膜的形成，但在与环境相关的胁迫条件下，它们在腐败相关假单胞菌中的相对功能贡献尚未得到系统评估。在本研究中，我们构建了靶向删除突变株，破坏了荧光假单胞菌PF07中三种多糖生物合成途径，并全面评估了它们在生物被膜形成、基质组成以及对食品加工环境中相关胁迫（包括离子胁迫、低温和消毒剂处理）耐受性中的作用。我们的结果表明，Psl是PF07中起关键结构和功能作用的多糖，对生物被膜稳定性和胁迫耐受性贡献显著。这些发现揭示了生物被膜多糖之间存在明确的功能层级，并表明Psl在PF07冷链条件下的适应性生物被膜策略中发挥核心作用。

章节摘要

菌株与培养条件

荧光假单胞菌PF07（BioProject登录号PRJNA800221；SRA登录号SRR17731482），系本实验室从大黄鱼（大黄鱼）中分离获得，在本研究中作为野生型（WT）菌株使用。选取了三个外聚多糖基因alg8、pslB和pgaC分别作为藻酸盐、Psl和PNAG的关键生物合成基因代表。alg8编码参与藻酸盐聚合的蛋白质，pslB编码一种糖基转移酶，

外聚多糖生物合成基因簇的遗传结构与生物被膜贡献

基于我们的基因组分析，在荧光假单胞菌PF07中鉴定出三个外聚多糖生物合成基因簇，分别负责Psl多糖、藻酸盐和PNAG的产生。如图1A所示，Psl生物合成基因簇由pslA–K组成。藻酸盐生物合成基因簇包含algA、algF、algJ、algI、algL、algX、algG、algE、algK、alg44、alg8和algD。PNAG生物合成基因簇包含pgaA–D。为探究其功能作用

讨论

生物被膜形成是一个高度协调的发育过程，细菌细胞在此期间从浮游生活方式转变为嵌入EPS基质中的结构化群落（O'Toole等，2000）。除结构组装外，EPS还作为一种多功能基质组分，主导着机械稳定性和环境韧性（Flemming和Wingender，2010）。我们的基因组分析揭示，荧光假单胞菌PF07具备合成三种

结论

在本研究中，我们系统解析了三种主要外聚多糖——Psl、藻酸盐和PNAG——在荧光假单胞菌PF07生物被膜形成和环境胁迫耐受性中的作用。结果表明，Psl合成的破坏显著损害了生物被膜的形成以及健壮胞外基质的构建，在离子胁迫和低温条件下尤为明显，而藻酸盐或PNAG的缺失则影响相对较小。此外，Psl的缺失显著地

资金声明

本研究得到浙江省自然科学基金（LZ23C200002）的资助。

作者贡献声明

Zhong Lu：撰写——初稿，验证，软件，方法论，形式分析，数据整理，概念构思。Junli Zhu：撰写——审阅与编辑，指导，资源，获取研究资金。Zhulin Zhou：撰写——审阅与编辑，软件，方法论。Lifang Feng：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

Zhong Lu|Zhulin Zhou|Lifang Feng|Junli Zhu