综述：铁载体在细菌群落构建中的作用

《Current Opinion in Microbiology》：The role of siderophores for bacterial community building

　　

铁是地球上包括细菌在内的大多数生物所必需的微量元素。然而，环境中的铁通常以三价铁（Fe3+）形式存在，因此不具有生物可利用性。为获取三价铁，许多细菌产生铁载体（siderophores）——一类分泌型次级代谢产物，能够从天然来源中螯合铁，并通过特异性转运蛋白实现铁的吸收。作为分泌型分子，铁载体不可避免地影响其他群落成员，近期证据表明铁载体在塑造复杂群落中菌株与物种间的互作网络方面发挥重要作用。在本综述中，研究人员首先阐述了铁载体如何诱导细菌间从互利共生（mutualism）到剥削（exploitation）再到竞争（competition）的生态互作；随后，研究人员详细论述了铁载体的理化性质，如产生速率、扩散性、稳定性、铁亲和力及化学特异性如何影响铁载体介导互作的类型与强度；最后，研究人员介绍了多种情景以说明铁载体互作网络与群落构建如何产生。研究人员在综述结论中指出，目前对铁载体互作网络的认识局限于少数被深入研究的类群，未来工作应通过在全微生物组尺度上研究铁载体介导的互作来突破这一局限。

引言

铁是地球上包括微生物在内的大多数生物所必需的微量营养素。由于铁能够在亚铁（Fe²⁺）与三价铁（Fe³⁺）状态之间转换，铁作为辅基和电子供体/受体参与众多重要的生理功能。含铁关键酶的例子包括过氧化氢酶（抗氧化）、细胞色素（呼吸作用）、DNA聚合酶（真核生物DNA复制）、核糖核苷酸还原酶（原核生物核苷酸合成）。尽管铁在地壳中丰度很高，但由于难溶的三价铁在氧化（好氧）条件和中性/碱性pH下占主导地位，生物可利用铁的浓度通常很低。在此类条件下，离子态铁或以矿物形式结合，或以螯合物形式与有机配体结合。

在进化时间尺度上，细菌（也包括真菌和植物）进化出三种获取铁的主要策略。第一种策略基于膜整合的亚铁输入蛋白，它们在几乎所有细菌物种中保守存在，可将可溶性Fe²⁺转运进入细胞。这些铁转运系统在亚铁占主导的还原性（低氧）环境中运作良好，也可与环境中的还原剂协同作用，将三价铁自发还原为亚铁。假单胞菌属（Pseudomonas）产生的吩嗪类物质即为此类还原剂的例子。第二种策略依赖于对有机配体的直接摄取，这些配体或偶然结合铁，或出于铁营养以外的目的结合铁。偶然结合铁的分子包括有机酸（如柠檬酸、苹果酸）和宿主来源的儿茶酚胺类物质。天然含铁的有机配体例子包括血红素和高铁血红素。柠檬酸是一个特别有趣的案例，因为它可通过主动分泌或从受损细胞中泄漏而在环境中达到相当高的浓度。柠檬酸螯合并溶解铁，使铁对拥有柠檬酸铁转运蛋白的细菌具有生物可利用性。第三种策略包括铁载体的产生。铁载体是通过次级代谢产生的低分子量化合物，通常分泌到环境中。它们对三价铁具有高亲和力，需要特异性转运蛋白来识别和内化铁载体-铁复合物。由于铁载体是分泌型的，它们可能被生产者以外的其他个体利用，从而促进细菌菌株和物种之间的互作。

与跨物种保守的亚铁和有机配体摄取系统不同，铁载体在化学结构、铁亲和力和摄取特异性方面存在巨大多样性。Siderite数据库目前收录了超过1000种具有独特化学结构的铁载体。单一菌株/物种可产生一种或多种不同的铁载体。虽然特定铁载体的生产者通常拥有相应的铁载体-铁复合物转运蛋白，但菌株/物种通常也拥有自身不产生的铁载体的转运蛋白。因此，多样群落中的单个微生物可能面对多种不同的铁载体：有些是自身产生的，有些无需产生即可摄取，还有些因缺乏匹配的转运蛋白而无法利用。因此，群落中每个菌株/物种根据其铁载体和转运蛋白谱系，可能以不同方式与其他群落成员连接。

铁载体介导互作的分类

研究人员使用生态互作的概念来说明铁载体对生产者和接受者在两两互作中的后果，以菌株A和菌株B为模型微生物。研究从一个简单模型出发，假设菌株A和B若为铁载体生产者，则以等量产生单一铁载体；铁载体被分泌后可能因扩散而丢失；摄取相应铁载体-铁复合物需要特异性转运蛋白。在此简单设定下，铁载体在铁限制环境中可触发五种不同类型的生态互作：互利共生（+|+）、剥削（+|-）、竞争（-|-）、偏利共生（+|0）和偏害共生（-|0）。这五种互作构成了铁载体互作网络建立的基础。

互利型铁载体互作：若菌株A和B产生并使用相同的铁载体，则可参与互利的社交互作。具体而言，铁载体的互惠生产和摄取可减少扩散损失，使菌株A在菌株B存在时获得适应性收益，反之亦然。

剥削型铁载体互作：若菌株A产生菌株B可利用的铁载体，但菌株B不产生任何铁载体，则在以下条件下可发生剥削互作：菌株B使用的铁载体直接损害菌株A的铁摄取速率。此情景常被称为“欺骗”（cheating），因为菌株A承担铁载体生产成本，却将部分收益损失给菌株B。

竞争型铁载体互作：若菌株A和B均产生对方无法利用的铁载体，则当两个物种竞争同一铁库时会发生竞争互作。竞争损害双方的适应性，因为结合到其中一种铁载体上的铁不再对另一物种可及。

偏利共生型铁载体互作：若菌株A产生菌株B可利用的铁载体，但菌株B不产生铁载体，则在以下条件下可发生偏利共生互作：菌株B使用的铁载体因扩散对菌株A而言已丢失，因此菌株B的摄取不损害菌株A的适应性。

偏害共生型铁载体互作：若菌株A产生菌株B无法利用的铁载体，则在以下条件下可发生偏害共生互作：到达菌株B的铁载体因扩散对菌株A而言已丢失，但这些铁载体分子降低了菌株B的局部铁可利用性，因其无法摄取螯合铁。

混合策略：上述生态互作基于一个简化模型，假设菌株产生单一铁载体并拥有单一转运蛋白。现实中，细菌菌株常拥有多种铁载体和转运蛋白，可导致混合策略。例如，菌株B可能既能利用菌株A的铁载体，同时产生菌株A无法利用的自身铁载体。该策略结合了剥削和竞争元素，可能进一步增加菌株B的相对成功度。另一种更复杂的情景可能涉及菌株A产生两种不同铁载体，而菌株B仅能利用其中一种。因此，菌株A的一种铁载体可能刺激菌株B生长，而另一种可能抑制其生长，两种效应可能相互抵消。

铁载体性质及其对细菌互作的影响

接下来，研究人员探讨上述两两互作如何受铁载体及其转运蛋白的特定性质影响。铁载体对细菌群落的整体影响取决于多个因素，包括：（1）产生速率；（2）扩散性；（3）环境中的化学稳定性；（4）环境中的铁可利用性；（5）铁载体的相对铁亲和力；（6）铁载体及其相应转运蛋白的特异性和选择性；（7）其合成基因簇和转运蛋白在群落成员中的分布广度。

铁载体产生速率、扩散性、化学稳定性、铁可利用性与亲和力：较高的铁载体产生速率、扩散性和化学稳定性预期会增强铁载体对其他群落成员的影响。例如，在偏利共生或剥削互作中，当菌株A铁载体的产生速率、扩散性和化学稳定性较高时，菌株B将从菌株A获益更多。铁载体的相对亲和力在竞争互作中尤为重要，产生更高亲和力铁载体的菌株预期获得更大份额的局部铁库。最后，铁可利用性决定铁载体介导互作的强度，铁载体的影响随铁可利用性升高而下降。

常见铁载体：某些铁载体由许多不同菌株和物种产生，其中包括肠杆菌素（enterobactin，由肠杆菌科产生）和去铁胺（desferrioxamines，由链霉菌和真菌产生）。其合成基因簇在分类群中的广泛分布可能伴随着相应转运蛋白的广泛分布，甚至超出实际产生该铁载体的类群。例如，假单胞菌属既不产生肠杆菌素也不产生去铁胺，但通常拥有其摄取转运蛋白。鉴于这些铁载体的高普遍性，可推测它们对接收群落成员主要产生积极效应，通过与生产者的互利共生、偏利共生或剥削互作实现。

稀有铁载体：在光谱的另一端，存在较为稀有的铁载体，其合成基因簇和转运蛋白仅限于少数物种和菌株。虽然这些铁载体研究不足，但从概念上可推测它们对其他群落成员主要产生负面效应，通过与生产者的竞争或偏害共生互作实现。例如，chryseochelin是最近发现的一种由土壤栖居金黄杆菌属（Chryseobacterium）产生的铁载体，被证明对土壤病原菌具有强生长抑制作用。

铁载体的特异性和选择性：标准分子模型将每种铁载体与其特异性转运蛋白配对。然而，某些转运蛋白具有混杂性，可内化多种不同类型的铁载体，这些铁载体共享参与铁螯合的化学基团（儿茶酚、酚盐、异羟肟酸、羧酸官能团）。因此，混杂转运蛋白预期为接收群落成员带来益处。相反，某些铁载体和转运蛋白表现出极高的特异性。研究最充分的案例涉及假单胞菌属产生的铁载体pyoverdines。迄今已发现超过200种化学上不同的pyoverdine变体，生物信息学分析预测至少94个不同的转运蛋白组。这种极高的多样性和特异性使得假单胞菌群落内菌株对之间可表现全部五种生态互作，形成复杂的互作网络。

铁载体与群落构建

铁载体与群落入侵：在介绍完定义铁载体互作的所有因素后，可探讨各要素如何共同作用并影响群落动态。最简单的方式是评估一个菌株必须具备哪些铁载体特征才能在既有群落中建立自身。研究从铁限制环境中单一铁载体产生物种（菌株A）出发，考虑菌株B、菌株C等的不同入侵情景。情景1：菌株B产生与菌株A不同的铁载体，且铁亲和力更高，两菌株间无铁载体交叉利用。此情景下，预期菌株B入侵并取代菌株A，菌株A将从群落中消失，无群落构建发生。情景2：菌株B产生的铁载体可被菌株A利用，而菌株A的铁载体不能被菌株B利用。此情景下，预期菌株B无法入侵并灭绝，同样无群落构建。情景3第一步：菌株B不产生铁载体但能利用菌株A的铁载体。此情景下，预期菌株B通过与菌株A的偏利共生或剥削互作在群落中建立自身。两菌株可共存，因为菌株B依赖菌株A，产生负频率依赖选择。情景3第二步：现可扩展此情景，考虑菌株C产生铁亲和力低于菌株A铁载体的铁载体，但其铁载体既不能被菌株A也不能被菌株B利用。菌株C可入侵群落，因其预期可取代菌株B但对菌株A处于劣势，导致石头-剪刀-布动力学，促进共存。情景3第三步：在上述三菌株群落基础上，可添加更多菌株D、E、F等，各自具有特定的铁载体和转运蛋白谱系。预期能够获取群落铁载体库的菌株有良好机会建立自身并整合进群落。相反，无法获取现有铁载体库且自身铁载体被既有群落成员利用的菌株将无法入侵。

基于这一系列事件，可设想复杂铁载体互作网络如何产生。上述情景是得到实验支持的一个例子，但显然存在其他可能导致成功群落构建和稳定铁载体互作网络的替代路径。

群落结构与网络连通性：目前对影响铁载体网络连通性的因素知之甚少，现有认识主要来自假单胞菌属及其pyoverdines。对假单胞菌属而言，近期工作表明栖息地和生活方式似乎影响网络连通性。具体而言，来自自然环境的假单胞菌菌株，如土壤和水生栖息地，表现出较高的pyoverdine和转运蛋白多样性，形成密集的铁载体互作网络。相比之下，致病性假单胞菌物种如铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和丁香假单胞菌（P. syringae）的pyoverdine和转运蛋白多样性较低，属内网络连通性相应较低。另一方面，铜绿假单胞菌以拥有广泛的用于摄取其他（非假单胞菌）物种铁载体的转运蛋白谱系而闻名，表明该物种在属间而非属内水平连接群落成员。利用生物信息学方法建立铁载体互作网络已取得重大进展，有望很快为复杂群落（包括与植物、动物和人类宿主相关的微生物组）中的菌株和物种互作提供新见解。

社交性状对群落构建的一般重要性：铁载体显然只是细菌互作的机制之一。还有许多其他性状可能决定群落动态和稳定性，包括通过分泌或直接递送毒素进行的干扰竞争、代谢交叉喂养，以及菌株特异性非社交性状如内在生长能力。这些不同性状的相对重要性尚不清楚。例如，一个快速生长的原养型菌株是否会受铁载体、毒素或交叉喂养互作影响，还是会仅因其高内在生长能力而在群落中占据优势，而不论与他人的社交互作？近期一项研究表明，社交互作和内在非社交性质都很重要，但后者的相对重要性占主导。

结论

本文总结了铁载体相关细菌互作领域的最新进展，以及这些互作如何促进群落构建。铁载体已在多种背景下被广泛研究，包括：（i）合成、分泌和摄取的分子基础；（ii）作为感染中毒力因子的作用；（iii）在根际作为植物有益因子的作用；（iv）作为新抗生素支架的化学潜力（sideromycin，即铁载体部分与抗生素连接，通过铁载体转运蛋白以“特洛伊木马”方式转运进入细菌细胞）；以及（v）作为研究细菌合作与欺骗的模型性状。整合这些研究方向的见解是预测和理解铁载体介导互作网络所必需的。分子铁载体合成基因簇和转运蛋白的分布决定了菌株与物种间的互作潜力。合作和欺骗互作构成铁载体互作网络的基础。铁载体介导的互作决定了对植物和动物宿主的有害和有益效应，以及病原体能否入侵或被常驻群落抑制。尽管对单个铁载体已有大量研究，目前对互作网络的见解仍然有限，且以少数特定类群（如假单胞菌属及其高度多样的pyoverdine-转运蛋白系统）的研究为主。未来工作需将概念扩展到整个群落和微生物组水平。为此，需要新的生物信息学和实验方法来可靠评估铁载体互作网络的分子和行为基础、其在不同栖息地间的变化，以及它们如何影响生态系统性质和微生物与植物、动物及人类宿主的互作。