综述：与植物共生的微生物作为下一代抗菌物质的来源：生态学、生物活性、生物技术进展及应用前景

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Plant-associated microbes as a reservoir for next-generation antimicrobials: Ecology, bioactivity, biotechnological advances, and translational prospects

　　摘要：抗生素耐药性病原体的迅速出现构成了严重的全球健康威胁，这促使人们寻求新的可持续治疗方案。与植物相关的微生物，包括内生细菌和真菌，因其能够产生具有抗菌特性的多种生物活性化合物而备受关注。本综述重点介绍了目前对这些微生物作为新型抗菌剂来源的认识进展。我们探讨了它们的作用机制，包括天然抗菌代谢物的产生、与病原微生物的竞争以及宿主免疫反应的调节。此外，我们还评估了以往关于植物相关微生物对多重耐药病原体具有抗菌活性的研究，并深入分析了其开发过程中存在的现有局限与挑战。这些挑战包括规模化生产、环境差异性、安全性评估以及转化验证等问题。除了直接抑制病原体生长外，近年来越来越多的证据表明，抗毒力机制，尤其是群体感应干扰和生物膜调控，也具有重要意义。来自内生菌的代谢物，包括内酯酶、酚类衍生物以及真菌多酮类物质，已被证明能够破坏群体感应信号通路（如las和rhl系统），并减少生物膜的形成、附着以及毒力因子的产生，而不一定需要强烈的杀菌作用。鉴于其降低病原体致病性并限制耐药性发展的潜力，这类策略越来越被视为传统抗生素的补充手段。最后，我们提出了未来的研究方向，强调应结合先进的生物技术方法，以提升从微生物中发现、优化和应用抗菌化合物的效率。总体而言，与植物相关的微生物是极具前景的临床前抗菌候选物质来源；然而，仍需进一步的机制研究、转化研究以及临床试验，以验证其有效性并推动其在医学和农业领域的实际应用。

引言：全球范围内抗生素耐药性感染的不断增加严重威胁着公共卫生，降低了传统抗菌疗法的效果，同时提升了全球的发病率和死亡率。面对这一紧迫形势，人们开始探索天然生物活性化合物的来源。其中，与植物相关的微生物，包括内生细菌、真菌以及根际微生物，因其显著的代谢多样性以及合成具有抗菌活性的化合物的能力，而成为极具潜力的候选对象[1]。这些微生物在植物的健康、生长及防御过程中发挥着重要作用，通常会产生能够抑制病原微生物的次级代谢产物[2]。先前的研究表明，其中一些化合物对多重耐药病原体具有活性，这表明它们更有可能作为新型抗菌药物的候选来源，而非传统抗生素的直接替代品[3]。此外，在某些实验系统中，与植物相关的微生物还表现出较低的毒性、更好的环境适应性以及限制耐药性发展的潜力；不过，这些优势具有情境依赖性，还需通过更系统的研究及临床验证来加以确认[4]。与植物相关的微生物栖息在植物组织内部及表面特定的生态位中，那里的生态和生化条件与许多自由生活的环境有所不同。这种与宿主的相互作用能够影响生物合成基因簇的表达，进而促进具有抗菌潜力的多种次级代谢产物的生成[5]。尽管许多与植物相关的微生物在进化上与土壤中的微生物有亲缘关系，可能产生相似类别的代谢物，但它们与植物宿主的共生关系有助于形成特定生态位的代谢物表达模式，并提升化学多样性。多项研究已经从内生菌和叶面相关微生物中发现了具有生物活性的抗生素、多酮类物质以及脂肽类物质，这说明植物微生物组是天然产物发现及抗菌药物研发领域中一种宝贵但尚未得到充分开发的资源[[6], [7], [8]]。本综述全面概述了目前关于将与植物相关的微生物作为抗菌剂来源的研究现状，重点介绍了它们的多样性、作用机制、以往的实验进展，以及将实验室研究成果转化为实际应用所面临的主要挑战。与以往主要列举这些微生物所产生的抗菌代谢物的综述不同，本综述采用了一种综合视角，将生态相互作用、宿主-微生物共同进化、生物合成调控，以及基因工程和合成生物学在发现和激活隐匿的生物合成基因簇方面的进展联系起来。通过整合这些相互关联的因素，本综述客观地评估了与植物相关的微生物作为抗菌化合物库所带来的机遇与当前的限制，并分析了它们在应对全球抗生素耐药性挑战中所能发挥的潜在作用。值得注意的是，虽然与植物相关的微生物持续产出许多此前未被报道的天然产物，但越来越多的证据表明，所报道的许多代谢物实际上属于一些已知的化学家族，如多酮类、非核糖体肽类、萜类、生物碱以及酚类化合物。因此，与植物相关的微生物的科研价值不仅在于发现全新的化学结构框架，还在于识别新的微生物生产者、以前未被表征的生物合成基因簇、改进的代谢物生产策略、新的生物活性以及独特的生态功能。综上所述，与植物相关的微生物是化学创新的一种补充性而非唯一性来源，它们对于丰富未来可用于抗菌药物研发的生物活性天然产物库具有重要意义。

章节节选：
与植物相关的微生物：概述
与植物相关的微生物是一类多样的细菌和真菌，它们与植物形成共生或共栖关系[5]。这些微生物通常被分为三类：不造成危害且生活在植物组织内的内生菌、栖息在植物根部周围土壤中的根际微生物，以及定殖在植物表面上的叶面微生物。每一类微生物都对植物的健康有着独特的贡献，同时也具备……

宿主-微生物共同进化：机制与特征
植物中的宿主-微生物共同进化指的是植物与其相关微生物群落之间相互发生的进化变化，这些变化会影响宿主的表型、微生物的特性以及整个生态系统的功能[24]。虽然已在多个组织层面（种群、物种和群落）提出了共同进化的概念，但目前的大部分证据仍为间接证据，因此在解读时应谨慎，因为要区分真正的相互适应与……

影响微生物多样性的环境因素
与植物相关的微生物群落受到宿主因素、生物相互作用以及非生物环境因素的共同影响[34]。在较大的空间尺度上（如景观和大陆尺度），土壤的物理化学性质、气候、水分供应、温度、盐度以及污染等因素往往决定了微生物群落组成的最大变化幅度。而在较小的尺度上（如植物器官、基因型或特定的作物管理方式），……

共生关系与机会主义关系
植物微生物组的存在形式从互利共生到共栖，再到机会主义致病性不等。要区分这些不同的关系类型，需要考虑生态背景、宿主基因型、微生物基因型以及环境条件。

来自与植物相关的微生物的生物活性化合物
与植物相关的微生物是多种具有治疗潜力的抗菌代谢物的重要来源[46]。这些微生物能产生多种化合物，包括链霉菌产生的多酮类物质以及芽孢杆菌产生的脂肽类物质，这类物质能够破坏细胞膜并抑制生物膜的形成。此外，它们还能产生抗真菌代谢物，比如木霉产生的肽聚糖类物质，这类物质能够作用于真菌的细胞壁和细胞膜。还有一些代谢物具有……

抗菌作用机制
微生物的天然产物通过多种机制发挥抗菌作用，这些机制各具特点，反映了它们在结构上的多样性以及为适应生态竞争而形成的进化特征。与许多传统抗生素通过单一的高特异性靶点发挥作用不同，这些代谢物往往具有多靶点或多效性作用，能够影响细胞膜的完整性、大分子生物合成、细胞间通讯以及与生物膜相关的生理功能（见图2）。

直接的治疗候选物
与植物相关的微生物，尤其是内生放线菌（如链霉菌属）和真菌，是重要的生物活性天然产物来源，其中包括多酮类、非核糖体肽类以及生物碱等，这些物质目前正在被作为潜在的抗菌候选物进行研究[86]。从内生菌中分离出的许多化合物在体外已显示出对多重耐药细菌、病原真菌以及某些寄生虫的抑制作用（如munumbicins……）

内生菌的基因工程改造
对与植物相关的内生细菌和真菌进行基因工程改造，旨在激活那些在标准实验室条件下由于受到植物源信号（如植物激素、黄酮类物质以及与宿主组织的物理接触）的调控而处于沉默状态的隐匿生物合成基因簇[101]。然而，这些路径的激活具有很强的情境依赖性，目前许多报道的案例仍然仅限于实验室规模或受控的共培养系统之中……

挑战与限制
要将与植物相关的微生物及其生物活性代谢物转化为具有临床或工业应用价值的制品，就需要解决诸多相互关联的转化、技术以及监管方面的难题。尽管已有大量报道指出内生菌和根际微生物能够产生抗菌、抗氧化以及免疫调节活性化合物，但要将这些化合物成功应用，仍需克服与生物稳定性、宿主依赖性表达相关的限制……

未来展望
未来从与植物相关的微生物中开发抗菌化合物，需要建立整合性的发现流程，将基因组挖掘、代谢组学、合成生物学以及先进的计算方法结合起来。应当优先探索那些研究不足的微生物群落，尤其是那些存在于不同植物生态位中的微生物群落，同时还要改进激活沉默生物合成基因簇以及优化代谢物生产的策略。

结论
与植物相关的微生物是一个在化学和遗传层面都极为多样的抗菌化合物库，对于可持续农业以及抗菌药物的发现都具有重要意义。本综述指出，芽孢杆菌、假单胞菌以及链霉菌属是研究最为广泛的微生物群体，因为它们能够产生结构多样的代谢物，包括脂肽类、酚嗪类、吡咯硝啉类、吡咯硫烯醇类、多酮类以及类似细菌素的物质……

资金支持
比沙大学研究生院及科学研究处通过快速通道研究支持计划为本研究提供了资助。

作者贡献声明
Akram B. Sultan：概念设计、资金获取、资源提供、软件使用、研究指导、初稿撰写、审稿与编辑。Mohamed Abdel-Haleem：概念设计、数据整理、实验研究、资源提供、软件使用、初稿撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明
作者声明不存在与本研究相关的任何利益冲突。

致谢
作者感谢比沙大学研究生院及科学研究处通过快速通道研究支持计划对本研究的资助。

Akram B. Sultan | Mohamed Abdel-Haleem
沙特阿拉伯比沙省61922，比沙大学科学学院生物学系