01

文章背景簡介   

BACKGROUND INTRODUCTION

微生物組在自然界中普遍存在，在眾多生物過程中發(fā)揮著重要作用。例如：環(huán)境污染物（如有機(jī)污染物、微塑料等）的降解、生物燃料（如甲烷、乙醇和石油）的生產(chǎn)、腸道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的維持等。近年來，通過重塑微生物組、提高微生物個體之間的協(xié)同效率，已經(jīng)成為合成生物學(xué)和生物技術(shù)的熱點之一。向微生物引入群體感應(yīng)的相關(guān)基因線路，對代謝物介導(dǎo)的通信模式進(jìn)行改造等一些策略，也被日漸開發(fā)用于增強(qiáng)微生物群落之間的非接觸性相互作用，從而促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)效能。除此之外，通過合成生物學(xué)技術(shù)來增強(qiáng)微生物之間的物理接觸（例如促進(jìn)生物膜的形成），也是一種很有前途的策略，可以顯著改善細(xì)胞間物質(zhì)、能量和信號的交換，從而調(diào)節(jié)微生物組的組成并增強(qiáng)生物功能。

植物的根際微生物組是由緊密圍繞植物根系狹窄區(qū)域的多種微生物群落（如細(xì)菌、真菌、原生動物和藻類）組成的，會受到根系代謝的動態(tài)影響。這些微生物群落與植物根系之間有著強(qiáng)烈的相互作用，可以通過釋放無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)、產(chǎn)生植物激素、緩解環(huán)境壓力或其他機(jī)制來改善植物生長。此外，良性微生物群落還會通過形成物理保護(hù)層、產(chǎn)生抗菌劑、激活植物免疫反應(yīng)等方式，保護(hù)植物免受病原體感染。因此，在植物相關(guān)農(nóng)業(yè)、工業(yè)和環(huán)境保護(hù)中，優(yōu)化根際微生物組是促進(jìn)植物生長和增強(qiáng)之舞對物理、化學(xué)和生物脅迫抵抗力的一種很有前途的策略。其中，植物根際微生物的修復(fù)也是處理由重金屬和富營養(yǎng)化相關(guān)污染物引起的環(huán)境污染的普遍策略。盡管根際微生物組對植物修復(fù)至關(guān)重要，但人為重塑根際微生物組以加強(qiáng)多種污染物處理仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

2022年，南開大學(xué)Hongda Yin 等人在《Journal of Hazardous Materials》（環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)一區(qū)，IF=14.224）發(fā)表了題為“Synthetic physical contact-remodeled rhizosphere microbiome for enhanced phytoremediation”的研究論文。在這項研究中，作者設(shè)計了一種合成細(xì)菌來加強(qiáng)天然微生物和植物根系之間的物理接觸，以便在植物修復(fù)過程中重塑鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）根際微生物組。合成細(xì)菌EcCMC是通過引入由熒光蛋白mCherry序列分隔的兩個葡聚糖結(jié)合結(jié)構(gòu)域組成的表面顯示的合成蛋白CMC來構(gòu)建的。這種合成細(xì)菌能夠強(qiáng)烈結(jié)合葡聚糖并招募天然產(chǎn)生葡聚糖的細(xì)菌和真菌細(xì)胞。微生物組和代謝組學(xué)分析表明，EcCMC顯著重塑了根際微生物組，增加了脅迫反應(yīng)相關(guān)代謝物，導(dǎo)致參與抗逆的抗氧化酶的活性增加。重塑后的微生物組進(jìn)一步促進(jìn)了植物生長，增強(qiáng)了多種污染物向植物的積累，重金屬鎘、全有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、全磷的去除效率分別達(dá)到98%、80%、97%、93%和90%。這項研究為根際微生物組的重塑提供了新的線索，可用于增強(qiáng)水和土壤系統(tǒng)的植物修復(fù)。

02

所用到的主要方法

METHODS   

1. 應(yīng)變

2. 多糖結(jié)合測定

3. 微生物募集測定

4. 根結(jié)合測定

5. 根際微生物組的重塑

6. 根際微生物組分析

7. 根代謝組學(xué)分析

8. 生化分析

9. 污染物去除測定

10. 統(tǒng)計分析

03

文章主要內(nèi)容摘要

ABSTRACT 

微生物細(xì)胞和相關(guān)細(xì)胞外聚合物底物 （EPS）構(gòu)成了生物體之間的自然物理接觸。然而，這些接觸不穩(wěn)定，并且經(jīng)常受到復(fù)雜的環(huán)境因素（例如溫度、pH 值、C/N 比、金屬離子等）的損害。

合成生物學(xué)是大規(guī)模重塑細(xì)胞表面成分的有力策略，因此已成為增強(qiáng)植物與其他生物之間物理聯(lián)系的有效方法，有助于形成緊密的微生物組 - 植物共生體。

本研究的目的是構(gòu)建能夠增強(qiáng)物理接觸的合成細(xì)菌，并將之用于植物根際微生物組的人工重塑修復(fù)。作者通過模擬葡聚糖結(jié)合蛋白和葡聚糖底物之間的結(jié)合來設(shè)計一種合成細(xì)菌。然后將所得的合成細(xì)菌EcCMC暴露出人工葡聚糖結(jié)合蛋白CMC，用于加強(qiáng)天然微生物與植物根系之間的物理接觸，并進(jìn)一步評估了合成細(xì)菌相在重塑修復(fù)模式植物鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）根際微生物組中的作用，以及它們對去除多種污染物的影響。 合成物理接觸的設(shè)計將為重塑根際微生物組在廢水處理和土壤污染物去除過程中進(jìn)行植物修復(fù)提供新的線索。

綜合而言，本研究開發(fā)了一種基于合成細(xì)菌的物理接觸方法，能夠重塑根際微生物組以增強(qiáng)污染物處理。合成細(xì)菌EcCMC暴露了一種人工葡聚糖結(jié)合蛋白，該蛋白可以強(qiáng)烈招募天然細(xì)菌和產(chǎn)生含葡聚糖多糖的真菌。在與模式植物鳳眼蓮根系的相互作用過程中，EcCMC大大增加了根部的微生物生物量，并強(qiáng)烈重塑了根際微生物組。EcCMC重塑的微生物組能夠進(jìn)一步促進(jìn)植物生長和抗氧化能力，從而提高了植物去除鎘和富營養(yǎng)化相關(guān)污染物的能力。本研究提供了一種基于物理接觸的策略來重塑根際微生物組以增強(qiáng)植物修復(fù)。

簡而言之，本文的主要研究內(nèi)容有：

1、構(gòu)建了暴露葡聚糖結(jié)合蛋白的合成細(xì)菌EcCMC。

2、EcCMC強(qiáng)力結(jié)合葡聚糖并募集天然產(chǎn)生葡聚糖的微生物。

3、EcCMC顯著重塑了Eichhornia crassipes根際微生物組。

4、EcCMC改變根系代謝譜并上調(diào)抗氧化酶。

5、EcCMC促進(jìn)植物生長，改善污染物去除。

       原文標(biāo)題 : 通過合成生物學(xué)改變物理接觸，可以重塑植物根際微生物組并去除土壤污染物