沙雷氏菌抗生性次級(jí)代謝產(chǎn)物合成機(jī)制

白騰飛， 劉月芹，2*

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；2.陜西省區(qū)域生物資源保育與利用工程技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000)

沙雷氏菌抗生性次級(jí)代謝產(chǎn)物合成機(jī)制

白騰飛1， 劉月芹1，2*

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；2.陜西省區(qū)域生物資源保育與利用工程技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000)

沙雷氏菌(Serratia)是一類重要的生防菌，能分泌多種抗生性代謝產(chǎn)物，如靈菌紅素、脂肽、碳青霉烯、幾丁質(zhì)酶、異硫霉素、硝吡咯菌素、水解酶、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素、嗜鐵素等，從而抑制不同植物病原真菌的生長(zhǎng)?？偨Y(jié)了沙雷氏菌中已報(bào)道的抗生性次級(jí)代謝產(chǎn)物生物合成機(jī)制，重點(diǎn)闡述了次生代謝產(chǎn)物的功能、合成途徑等的新進(jìn)展，同時(shí)對(duì)沙雷氏菌在生物防治中的應(yīng)用和其作為生防菌劑的前景進(jìn)行展望。

沙雷氏菌；抗生性次級(jí)代謝產(chǎn)物；合成機(jī)制；生物防治

植物病蟲害嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而化學(xué)農(nóng)藥制劑的使用導(dǎo)致農(nóng)藥超標(biāo)、環(huán)境污染等一系列問題，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定和人類健康。利用生防菌劑的生物防治是改善這一問題的有效途徑。沙雷氏菌屬的細(xì)菌能分泌許多抗生性代謝產(chǎn)物(如靈菌紅素、脂肽、碳青霉烯、幾丁質(zhì)酶、異硫霉素、嗜鐵素等)抑制不同植物病原真菌生長(zhǎng)，對(duì)生防菌劑及生物農(nóng)藥的開發(fā)具有積極作用。研究發(fā)現(xiàn)粘質(zhì)沙雷氏菌SerratiamarcescensHal菌株具有較強(qiáng)的除草活性，其代謝產(chǎn)物粗提物對(duì)馬唐種子萌發(fā)的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的IC50分別為2 828和3 332 mg/L[1]。粘質(zhì)沙雷氏菌SerratiamarcescensCFFSUR-B2的次生代謝產(chǎn)物靈菌紅素及幾丁質(zhì)酶可以抑制子囊球腔菌孢子的萌發(fā)以及菌管的形成[2]。變形斑沙雷氏菌Serratiaproteamaculans336x能破壞子囊菌禾頂囊殼小麥變種(Gaeumannomycesgraminisvar.tritici.Ggt)的真菌孢子，有效控制小麥全腐病[3]。普城沙雷氏菌SerratiaplymuthicaZ10對(duì)辣椒立枯病菌(Rhizoctoniasolani)、油菜菌核病菌(Sclerotiniasclerntiorum)、番茄灰霉病菌(Botrytiscinerea)等3種植物病原真菌都有不同程度的抑制，主要表現(xiàn)為可以使病原真菌細(xì)胞畸形，腫脹繼而崩解，破壞細(xì)胞壁[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沙雷氏菌抗生性次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成機(jī)制、作用機(jī)制等進(jìn)行了較為深入的研究，本文對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)。

1 沙雷氏菌的生物特性

沙雷氏菌在自然界中分布廣泛，是水和土壤中的常居菌群，有粘質(zhì)沙雷氏菌(Serratiamarcescens)、臭味沙雷氏菌(Serratiaodorifera)、深紅沙雷氏菌(Serratiarubidaea)等。其中最具有代表性的S.marcescens是一種產(chǎn)紅色色素的細(xì)菌，約0.5 μm×(0.5～1.0)μm，周身有鞭毛，能運(yùn)動(dòng)，無莢膜，無芽胞，在普通的瓊脂培養(yǎng)基上25～30 ℃培養(yǎng)1～2 d出現(xiàn)黏性、中心顆粒狀、有惡臭菌落，約半數(shù)菌株能產(chǎn)生靈菌紅素(Prodigiosin)。

2 沙雷氏菌抗生性次級(jí)代謝產(chǎn)物合成機(jī)制的研究現(xiàn)狀

隨著分子技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)初步揭示了沙雷氏菌產(chǎn)生靈菌紅素(Prodigiosin,PG)、脂肽(Serrawettin,SW)、碳青霉烯(Carbapenemase)、幾丁質(zhì)酶(Chitinase)、異硫霉素(Althiomycin)、細(xì)菌素(Subtilin)等代謝產(chǎn)物的合成機(jī)制。

2.1靈菌紅素

研究表明粘質(zhì)沙雷氏菌在28 ℃產(chǎn)次級(jí)代謝產(chǎn)物靈菌紅素，但37 ℃卻不產(chǎn)靈菌紅素[5]，充分說明靈菌紅素的產(chǎn)生和溫度有關(guān)。靈菌紅素是由粘質(zhì)沙雷氏菌產(chǎn)生的一類具有吡咯環(huán)結(jié)構(gòu)的紫紅色代謝產(chǎn)物，其中的一個(gè)吡咯環(huán)C2上帶有一個(gè)甲基，C3上則有一個(gè)戊基，靈菌紅素的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1。

靈菌紅素具有多種生物活性作用，能抗癌、抗菌、抗瘧疾、抗霉、激活細(xì)胞內(nèi)凋亡程序等。1977年，F(xiàn)ullan首次驗(yàn)證了靈菌紅素具有抗癌作用,并隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)靈菌紅素對(duì)多種腫瘤細(xì)胞系有拮抗作用[5-6]。沈亞領(lǐng)等報(bào)道靈菌紅素在濃度達(dá)到5 μmol/L就可以顯著抑制癌細(xì)胞的浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移而對(duì)正常細(xì)胞則表現(xiàn)出低毒害作用[7]，從而成為一種非常有潛力的抗癌物質(zhì)[6]。

前人對(duì)于靈菌紅素的合成機(jī)制運(yùn)用標(biāo)記前體物的方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)PG的合成是由pig基因簇通過合成各種Pig酶控制的。由Serratia合成prodigision是通過一分子脯氨酸和絲氨酸及多個(gè)醋酸銨分子以一條二叉途徑逐步合成MAP和MBC的兩個(gè)主要前體，再在靈菌紅素縮合酶作用下合成，合成路線見圖2[8-9]。

2.2脂肽

生物表面活性劑通常分為糖脂、中性脂或脂肪酸、磷脂、脂肽和多聚生物表面活性劑等[10]。

Serrawettin類物質(zhì)種類有Serrawettin W1(SW1), Serrawettin W2(SW2)，Serrawettin W3(SW3)。其中產(chǎn)生SW1的菌株有粘質(zhì)沙雷氏菌S.marcescensNS 38、 粘質(zhì)沙雷氏菌S.marcescensATCC 274、粘質(zhì)沙雷氏菌S.marcescensATCC 13380，產(chǎn)生SW2的菌株有粘質(zhì)沙雷氏菌S.marcescensNS 25[10-11]，而產(chǎn)生SW3的菌株是粘質(zhì)沙雷氏菌S.marcescensNS45和S.marcescensNS50?，F(xiàn)在對(duì)SW3的環(huán)脂肽結(jié)構(gòu)尚不清楚。SW1、 SW2結(jié)構(gòu)見圖3。

據(jù)報(bào)道[12]粘質(zhì)沙雷氏菌S.marcescens274產(chǎn)SW1，SW1在群集運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮重要的作用，具有抗菌活性。SW1由2分子的絲氨酸和2分子β-羥基癸酸在PPTase(4′-磷酸泛酰巰基乙胺基轉(zhuǎn)移酶)的催化下通過硫脂鍵及酰胺鍵連接而成。圖4為其生物合成圖，但目前 SW2與SW3的生物合成機(jī)制尚不清楚。

圖2 粘質(zhì)沙雷氏菌中靈菌紅素的生物合成[8-9](┄→表示經(jīng)過多步反應(yīng))Fig.2 The biosynthesis of prodigiosin in serratia macescens[8-9](┄→ represent a multistep reaction)

圖3 Serrawettin W1(SW1)、Serrawettin W2(SW2)的環(huán)脂肽結(jié)構(gòu)Fig.3 The cylic lipopeptide structure of Serrawettin W1,Serrawettin W2

圖4 Serrawettin W1的生物合成[13-14](┄→ 表示是經(jīng)過多步反應(yīng))Fig.4 The biosynthesis of Serrawettin W1 in serratia macescens[13-14](┄→ represent a multistep reaction)

2.3碳青霉烯

碳青霉烯類抗生素是抗菌譜最廣，抗菌活性最強(qiáng)的、非典型β-內(nèi)酰胺抗生素[15]，因其具有對(duì)β-內(nèi)酰胺酶穩(wěn)定以及毒性低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為治療細(xì)菌感染最主要的抗菌藥物之一[16]。硫霉素和3-羧酸碳青霉烯是典型的碳青霉烯類抗生素，S.marcescens可產(chǎn)生3-羧酸碳青霉烯(圖5)。

圖5 3-羧酸碳青霉烯化學(xué)結(jié)構(gòu)

3-羧酸碳青霉烯可以由歐文氏菌(Erwinia)和粘質(zhì)沙雷氏菌產(chǎn)生。粘質(zhì)沙雷氏菌S.marcescensATCC39006可以產(chǎn)生碳青霉烯類化合物[17]。而Erwiniacarotovora與S.marcescens都有carA、carB、carC基因，這三個(gè)基因產(chǎn)生的酶在碳青霉烯生物合成中起著重要作用。

3-羧酸碳青霉烯的生物合成主要經(jīng)過以下過程(圖6)：在CarB(羧甲基脯氨酸合成酶)的催化下，丙二酰CoA和L-GHP(GSA、5HP、P5C的統(tǒng)稱，三者可以相互轉(zhuǎn)化)反應(yīng)生成t-CMP((2S,5S)-反式羧甲基脯氨酸)；CarA(碳培南合成酶)在ATP的作用下，催化t-CMP形成β-內(nèi)酰胺環(huán)，得到(3S,5S)-碳培南；最后CarC(碳青霉烯合成酶)將(3S,5S)-碳培南轉(zhuǎn)化成3-羧酸碳青霉烯。

圖6 3-羧酸碳青霉烯的生物合成[18]Fig.6 The biosynthesis of 3-carboxylic acid carbapenem in serratia macescens[18]

2.4幾丁質(zhì)酶合成機(jī)制

幾丁質(zhì)酶(Chinase)又稱甲殼素[19]，能將幾丁質(zhì)分解成幾丁寡糖與單糖，從而破壞病原真菌的細(xì)胞壁，起到防治病害真菌的作用。研究發(fā)現(xiàn)沙雷氏菌所產(chǎn)生的幾丁質(zhì)酶靶向定位于富含幾丁質(zhì)的細(xì)胞壁，幾丁質(zhì)酶與靈菌紅素有協(xié)同作用可以抑制灰霉[20]。

S.marcescens主要產(chǎn)兩種重要的幾丁質(zhì)酶ChiA和ChiB，有研究表明變形斑沙雷氏菌S.proteamculan18A1產(chǎn)ChiA在細(xì)菌中，幾丁質(zhì)降解可以生成幾丁單糖、幾丁二糖以及幾丁三糖等多種幾丁寡糖[21-22]，這些研究都證明幾丁質(zhì)酶是沙雷氏菌中重要的次級(jí)代謝產(chǎn)物，而S.marcescens作為重要的幾丁質(zhì)酶產(chǎn)生菌引起了中外學(xué)者的關(guān)注[23]。但對(duì)幾丁質(zhì)酶的合成機(jī)制尚不清楚。

3 展 望

研究表明沙雷氏菌可以產(chǎn)生大量的胞外及胞內(nèi)酶，這些次級(jí)代謝產(chǎn)物對(duì)自身的生存起著至關(guān)重要的作用。在生防菌劑應(yīng)用上，沙雷氏菌的次級(jí)代謝產(chǎn)物具有很好的應(yīng)用前景[19]。Gutiérrez-Román等[24]通過對(duì)3株粘質(zhì)沙雷氏菌株(CFFSUR-B2、CFFSUR-B3、CFFSUR-B4)的研究發(fā)現(xiàn)，其所產(chǎn)生的靈菌紅素以及幾丁質(zhì)酶對(duì)病害真菌具有一定的抗菌活性。有研究指出Seratiamarcescens39006產(chǎn)生碳青霉烯(carbapen-2-em-3-carboxylic acid)和靈菌紅素(prodigiosin)，而碳青霉烯作為抗生素已經(jīng)應(yīng)用于臨床，靈菌紅素可以抑制病原菌的生長(zhǎng)[25-26]。通過基因改造獲得活性較好的幾丁質(zhì)酶，可以抑制多種病原真菌，為構(gòu)建良好沙雷氏屬生防菌株奠定了理論基礎(chǔ)[27]。

本實(shí)驗(yàn)室從煙草根際土壤中篩選到一株產(chǎn)紅色色素粘質(zhì)沙雷氏菌YD25，真菌對(duì)峙實(shí)驗(yàn)表明菌株YD25對(duì)尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)、小麥根腐病菌(Drechslear)、西瓜腐爛病菌(Colletotrichumlagenarium(Pass.)Ell.et halst)、辣椒炭疽病菌(Colletotrichumcapsici(syd)Butl.)、立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)等具有較好的抑制作用。菌株YD25是經(jīng)報(bào)道的能夠同時(shí)產(chǎn)靈菌紅素和SW2類物質(zhì)的粘質(zhì)沙雷氏菌菌株，其產(chǎn)物良好的生物活性在生物農(nóng)藥和治療領(lǐng)域方面具有潛在的應(yīng)用前景。關(guān)注靈菌紅素和脂肽NRPS-PKS、NRPS生物合成機(jī)制及相應(yīng)的調(diào)控機(jī)理，探討兩種產(chǎn)物在分子層面上的相關(guān)性，為改造菌株以及提高菌株合成兩種產(chǎn)物的能力奠定基礎(chǔ)。由此可見沙雷氏菌具有良好的生防應(yīng)用前景及價(jià)值，但是沙雷氏菌走向應(yīng)用，需要對(duì)其生物合成途徑、遺傳改造、定殖能力等方面進(jìn)行綜合考察,才能在生物防治中起到重要作用。

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ASurveyofSynthesisMechanismofAntibioticSecondaryMetabolitesbySerratiaspp.

BAI Teng-fei1, LIU Yue-qin1, 2

(1.Coll.ofLifeSci.,Yan′anUni.,Yan′an716000; 2.Res.Ctr.ofShanxiProv.,theRegionalRes.Conserv. &Util.Engin.Technol.,Yan′an716000)

Serratiais a kind of important bio-control bacteria that can secrete various antibiotic metabolites, such as the prodigiosin, lipopeptid, carbapenem, chitinase, althiomycin, pyrrolnitrin, hydrolase, macrolide antibiotics, siderophore, etc., thus inhibit the growth of different plant pathogenic fungi. The reported biosynthesis mechanism of antibiotic secondary metabolites bySerratiaspp. was summarized in this article, emphasizing on expounding the function of secondary metabolites, new progress of the synthetic route etc, at the same time its application in bio-control and its prospect as bio-control preparation was made.

Serratia; antibiotic secondary metabolites; synthesis mechanism; bio-control

延安大學(xué)博士科研基金項(xiàng)目(205040122)

白騰飛 男，碩士研究生。研究方向?yàn)閼?yīng)用微生物學(xué)。E-mail:1120309222@qq.com

* 通訊作者。女，博士研究生，講師。研究方向?yàn)槲⑸飳W(xué)和食用菌。E-mail：liuyue811223@163.com

2016-10-20；

2016-11-28

Q935

A

1005-7021(2017)04-0115-05

10.3969/j.issn.1005-7021.2017.04.017