盐度驱动的地衣芽孢杆菌S_51菌株的进化揭示了其对渗透胁迫的代谢适应及甘氨酸甜菜碱合成能力的增强

《Microbial Cell Factories》：Salinity-driven evolution of psychrotolerant Bacillus velezensis S_51 strain reveals metabolic adaptations to osmotic stress and enhanced glycine betaine production

　　

摘要

土壤盐渍化通过破坏微生物稳态和植物-微生物相互作用，限制了农业生产效率。渗透保护物质，包括甜菜碱，在通过稳定细胞结构和维持渗透平衡来保护微生物细胞免受渗透胁迫方面发挥着至关重要的作用。为了优化微生物生产甜菜碱，在逐渐升高的氯化钠（NaCl）浓度下，对Bacillus velezensis S_51进行了适应性实验室进化（ALE），揭示了其潜在的代谢和基因组适应机制。经过10次连续传代（500代），进化菌株的生长偏好从0%向4%（0.68 M）NaCl的更高盐度发生适应性转变，表明生态位特化。这种适应伴随着渗透保护的显著增强，胞内甜菜碱水平相对于祖先菌株增加了约262倍，达到882.25 ± 68.58 μM g?1 DM。代谢谱分析显示底物利用发生了非均匀重组，祖先菌株（P1）与进化菌株（P10）之间的差异主要由有限的化合物子集驱动（关键底物贡献约62%）。进化菌株有效利用的碳（C）源和氮（N）源数量增加了约4-5倍，选择性增强了特定氨基酸（如L-丝氨酸、L-天冬氨酸）的利用，同时减少了对多种碳水化合物和己糖磷酸的利用，表明在渗透胁迫下底物利用谱发生了重新分配。功能性状分析显示生物膜形成能力增强，吲哚-3-乙酸（IAA）产量升高（从0.1增至0.13 μg mL?1），而铁载体产量保持稳定。基因组分析发现关键调控基因发生突变，包括kapB、spo0A和comP，提示表型转变与调控网络重组之间存在关联。综合以上结果，这些研究证明ALE能够驱动代谢、生理和调控的协同适应，增强微生物在盐渍条件下的适应性，支持其在盐渍土壤生物技术中的应用。