Bacillus lipopeptides as key players in rhizosphere chemical ecology 芽孢杆菌脂肽在根际化学生态中的重要作用
摘要
（1）Microbial natural products are widely explored for their therapeutic potential. 微生物天然产物因其治疗潜力而被广泛研究。
（2）Understanding the underlying evolutionary and adaptive forces driving their production remains a fundamental question in biology. 理解驱动它们产生的潜在进化和适应力仍然是生物学中的一个基本问题。
（3）Amphiphilic cyclic lipopeptides (CLPs), a prominent category of bacterial specialized metabolites, show strong antimicrobial activity, particularly against phytopathogens. It is thus assumed that these compounds are deployed by soil- or rhizosphere-dwelling bacteria as microbial weapons in competitive natural environments. 两亲性环状脂肽是细菌特化代谢产物的一个重要类别，具有很强的抗菌活性，特别是对植物病原菌。因此假设这些化合物被土壤或根际细菌作为微生物武器部署在竞争的自然环境中。
（4） Here, we challenge this reductionist perspective and present evidence that Bacillus CLPs are prominent chemical mediators of ecological interactions. 在这里，我们挑战这种还原论者的观点，并提出证据证明芽孢杆菌CLPs是生态相互作用的突出化学介质。
（5）They help Bacillus to communicate, compete, defend against predators, or cooperate and establish mutualistic relationships with other (micro)organisms. Additional parallel examples are highlighted in other genera, such as Pseudomonas. This broader perspective underscores the need for further investigation into the role of CLPs in shaping the adaptive strategies of key rhizobacterial species. 它们帮助芽孢杆菌沟通、竞争、抵御捕食者，或与其他(微生物)生物合作并建立互利关系。其他类似的例子在其他属中也很突出，如假单胞菌属。这一更广阔的视角强调了进一步研究CLPs在形成关键根际细菌物种适应策略中的作用的必要性
（6）Result结果
（7）CLPs as key components of the bacterial specialized metabolome CLPs是细菌特化代谢组的关键组成部分
Figure 1. Chemical diversity of cyclic lipopeptides (CLPs) as major components of the Bacillus specialized metabolome. 作为芽孢杆菌特化代谢组主要成分的环脂肽的化学多样性
注：图A：这家叫“芽孢杆菌”的化工厂（特别是B. velezensis这个子公司）能生产非常多不同的化合物，比如铁载体（抢铁用的）、挥发物（散发气味）、细菌素（小匕首）等等。用绿色框标出的是它们的“核心经典产品”，几乎所有子公司都会生产。
右：在所有这些产品中，环脂肽是产量最大、最主要的核心产品。只要一开工（体外培养），检测到的大部分都是它们。那张看起来像“连绵山脉”的3D图，就是一份高级的质谱检测报告。它就像是对工厂的产出做了一次全面扫描。红色、绿色、蓝色的圈：代表发现了三大系列明星产品：红色圈：伊枯草菌素 系列绿色圈：芬荠素 系列蓝色圈：表面活性素 系列
生产的“表面活性素”不是一个单一产品，而是一个系列。比如都是“iPhone 15”，但有iPhone 15, 15 Plus, 15 Pro, 15 Pro Max。它们的核心设计（肽链）一样，但脂肪酸链的长度和结构稍有不同，所以就形成了多个非常相似的变体
图B:它列出了每个产品系列（ surfactin, iturin, fengycin）的肽链结构。绿色小球 vs 橙色小球：
绿色小球（L型氨基酸）：是常见的、标准的氨基酸构件。
橙色小球（D型氨基酸）：是镜像版的、不常见的氨基酸构件。使用D型氨基酸是细菌让它的肽武器抵抗降解、更加稳定的关键秘诀！
灰色小球：表示这个位置是固定不变的，所有该系列产品都用这个氨基酸。
其他颜色的小球：表示这个位置是可以变动的，不同的产品变体在这个位置上可能会使用不同的氨基酸。
图C：环脂肽是由一种叫做NRPS的巨型“自动化蛋白质机器”组装的。这台机器上有很多“机械手”（A结构域），每个机械手负责抓取一个特定的氨基酸原料。
图中展示的就是负责生产“表面活性素”的这台机器上，各个机械手的“抓取程序”（结合口袋的氨基酸序列）。
红色高亮：表示不同种类的芽孢杆菌（B.subtilis, B.velezensis等），其机械手的“抓取程序”有细微的编码差异。这就导致不同子公司生产的表面活性素在个别氨基酸上可能有区别。
同一颜色：表示尽管程序略有不同，但这些机械手的功能一样，抓取的是同一种氨基酸。
此外：即使在同一家工厂里，生产线也有一点灵活性。如果原料库里缬氨酸缺货了但亮氨酸很多，某个机械手可能会“凑合一下”抓个亮氨酸装上，因为它们看起来差不多（都是疏水氨基酸）。这就导致了同一菌株也能生产出微调版本的产品。
（8）Multilevel and species-related structural diversity in Bacillus CLPs 芽孢杆菌CLPs的多级和种相关结构多样性
Figure I. Phylogeny and cyclic lipopeptide (CLP) production in selected species from the Bacillus subtilis clade. 图1 .枯草芽孢杆菌进化枝中选定物种的系统发育和环脂肽(CLP)产生。 The table indicates the percentage of producers for each species according to the genomic content in cognate biosynthetic gene clusters (BGCs). Color intensity increases according to the percentage values. Adapted from [24]. 该表根据同源生物合成基因簇(bgc)中的基因组含量显示了每个物种的生产者百分比。颜色强度根据百分比值增加。
注：芽孢杆菌是一个大家族，分为两个毫不相干的“远房分支”：“蜡状芽孢杆菌”分支（cereus group）：成员：包括著名的炭疽杆菌（让人得炭疽病）、蜡样芽孢杆菌（吃了变质的米饭可能中毒）、苏云金芽孢杆菌（Bt，农业上用来杀虫）特点：这个分支的成员大多和动物（包括人）有关，有的是病原体，有的是杀虫能手。但请注意，这个分支不是我们这张图的重点。
“枯草芽孢杆菌”分支（subtilis group）：成员：这是我们图的绝对主角。它们大多是植物的好朋友，被广泛用作生物农药来防治植物病害。这个分支又细分为四个更小的“家庭”：枯草芽孢杆菌家庭（subtilis subgroup）：包含B. subtilis等。解淀粉芽孢杆菌家庭（amyloliquefaciens subgroup）：包含B. velezensis、B. amyloliquefaciens等核心主力。地衣芽孢杆菌家庭（licheniformis subgroup）短小芽孢杆菌家庭（pumilus subgroup）核心信息：我们平时买的很多生物菌肥、生物农药，里面的菌虽然可能写着“枯草芽孢杆菌”，但它们很多其实是“解淀粉芽孢杆菌家庭”里的贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis），因为这家伙能力最强！
主要是生产三大类环脂肽“化学武器”：surfactin家族（表面活性素家族）：就像“肥皂**”，能破坏病菌的细胞膜，也是第一道防线； iturin家族（伊枯草菌素家族）：像“精准导弹**”，强力抗真菌，对付由真菌引起的植物病害（如白粉病、灰霉病）效果极好。 fengycin家族（芬荠素家族）：也像“导弹”，特别擅长对抗另一类真菌。
图C：表格里的数字：不是产量，而是“拥有这种武器的士兵占该菌种总士兵的百分比”。比如100 = 100%的该菌株都拥有生产这种武器的基因（标准配置）
Figure I. Bacillus intracellular regulation of lipopeptides.
Schematic representation of the influence of global regulators (GRs) on the expression of Bacillus main cyclic lipoproteins (CLPs). 图1 .芽孢杆菌对脂肽的细胞内调节。 全局调节因子(GRs)对芽孢杆菌主要环状脂蛋白(CLPs)表达影响的示意图。
注：核心调控系统：群体感应 (Quorum Sensing) 就像工厂的工人需要沟通来决定是否加班生产一样，细菌通过群体感应系统来“数人头”。当细菌密度很高（“人手充足”）时，它们就会启动大规模生产。
ComQXPA系统（主要负责表面活性素）：
ComX：像是工人发出的“我在这里”的信号弹。信号弹（ComX）积累到一定浓度，被细胞膜上的ComP“天线”接收到。ComP把这个消息传递给车间主任ComA，并给他一个“磷酸化激活勋章”（ComA~P）有了勋章的ComA~P主任就能跑到DNA车间，启动表面活性素生产线的开关（激活其基因簇）
Rap-Phr系统（主要负责表面活性素）：
这个系统是ComQXPA的“刹车和松刹车”装置。Rap蛋白是“刹车”，它能把有激活勋章的ComA~P主任的勋章摘掉（去磷酸化），让他无法工作，从而关闭生产线。Phr信号肽是“松刹车”的信号。当细菌密度高时，会释放Phr，Phr会从外面回来抑制Rap刹车。这样刹车就松开了，ComA~P主任就能顺利工作，表面活性素就开始大量生产。
2. 大老板：全局调控因子 (Global Regulators）除了车间主任，还有几个能影响所有生产线的“大老板”。Spo0A~P：这是公司的“大总裁”，它决定工厂是继续生产普通产品，还是准备进入“孢子”休眠状态（类似于战略储备）。在进入休眠状态前，它会命令工厂开足马力生产抗菌肽来清除竞争对手。它主要通过抑制AbrB（一个生产抑制因子）来间接促进Phr的生产，从而松开刹车，促进表面活性素合成。
CodY：这是“营养状况监控官”。当培养基营养丰富（比如有充足的葡萄糖）时，CodY会阻止RNA polymerase（生产机器）启动表面活性素的生产线，告诉工厂：“现在食物充足，别浪费能量生产这些武器了！”。
DegU~P：这是一个“双重角色”的经理。它的行为因菌种而异：在B. subtilis（枯草芽孢杆菌）中，它抑制表面活性素生产。在B. amyloliquefaciens（解淀粉芽孢杆菌）中，它却是激活伊枯草菌素和芬芥素生产的关键人物。
3. 不同产品的特异性调控：虽然调控系统有重叠，但三种产品各有各的“小灶”。
表面活性素 (Surfactin)：它是调控网络的中心，受上述所有核心系统和全局因子的精细调控。可以把它理解为公司的“基础款”主打产品。伊枯草菌素 (Iturin) 和 芬芥素 (Fengycin)：它们的调控更具有菌种特异性（比如枯草芽孢杆菌不产伊枯草菌素）。它们共享一些调控节点（比如都需要DegU~P经理来激活），但也有自己独特的开关：伊枯草菌素：还受GlnR（氮代谢调控因子）和膜蛋白YczE等的调控。芬芥素：有自己专门的调控系统：LutR/SinR：在生长稳定期调控多种细胞过程，包括芬芥素生产。PhoR-PhoP：这是一个“磷元素感应系统”。当环境中磷匮乏时，它就启动芬芥素的生产线。这很合理，因为生产芬芥素需要消耗磷，细菌可能在“饥饿”时更倾向于生产武器去抢夺资源。
（9）Complementary functions for ecological fitness 生态适应性的互补功能
表面活性素（Surfactin）对于芽孢杆菌来说，绝不仅仅是一个抗菌的“导弹”，它更是一个全方位的“生存与发展工具包”：是交通工具（方便移动占领地盘）是建筑工程师（建造坚固家园）是警报系统和逃生装置（躲避危险）是教育和人力资源总监（促进学习与进化）【结论：这个过程叫水平基因转移，是细菌进化的高速公路。表面活性素因此帮助整个菌群不断“学习进化”，获得新的能力（比如抵抗抗生素、生产新武器），这在长期竞争中至关重要。】
（10） CLPs as facilitators of key developmental traits CLP是关键发育性状的促进者
它是精准的“杀手”：主要针对真菌，通过物理性破坏细胞膜，高效且不易耐药。【这两种导弹的战斗部都有一个共同特点：一端亲水，一端亲油（两亲性）。它们能精准地找到真菌细胞膜（由脂质构成），然后像楔子一样钉进去，在膜上打出洞来，导致目标细胞“漏气”（内容物泄漏）而死亡】
它是智慧的“干扰者”：通过非致命方式扰乱竞争对手的发育、通讯和关键生理过程。
它是坚固的“盾牌”：能主动中和外来毒素，拦截有害包裹，为菌群提供集体防御。
（11） CLPs in interactions with competitors and predators CLP与竞争对手和掠夺者的互动
它们是“社交信号”：用于招募有益的微生物邻居，构建和谐的微生物群落【在芽孢杆菌和绿针假单胞菌的互动中，表面活性素能帮助假单胞菌更好地扩展其菌落。这为两个物种之间更深入的互动铺平了道路，使它们有可能在植物体内和平共处甚至协同合作，共同保护植物健康。】。
它们是“植物生长促进剂”：直接为植物提供营养，助其生长。【芬荠素就像一个“植物生长激素”】
它们是“植物疫苗”：以一种非常精准、不造成伤害的方式，激活植物自身的全身免疫系统，这是其作为生物防治剂的核心机制。
（12） CLPs in commensal/mutualistic interactions 共生/互惠互动中的CLP
（13） CLPs as common goods exploited by other microbes CLP是被其他微生物利用的普通商品
之前我们把环脂肽（CLPs）比作芽孢杆菌公司的“王牌产品”和“精密武器”。但现在，故事出现了反转：竞争对手们已经学会了如何“破解”、“回收”甚至“山寨”这些武器。【链霉菌就像是微生物界的“工程兵”，它们拥有一个强大的“酶工具包”，专门负责拆解各种复杂的分子，包括芽孢杆菌和假单胞菌的CLPs】
军备竞赛永无止境：一种微生物进化出了一种强大武器（CLP），其竞争对手必然会进化出相应的反制策略（降解酶）。
没有绝对的优势：一种化合物的功能高度依赖于其精确的化学结构。一旦结构被改变，其功能就可能完全丧失或被扭曲。
“废物”只是放错地方的资源：在微生物世界里，一种菌的“毒素”或“信号”，完全可以成为另一种菌的“食物”或“新武器原材料”。能量和物质在它们之间高效地循环利用。
复杂性：微生物之间的化学对话远不是简单的“开火-还击”，而是包含了信号、反信号、信号干扰、资源掠夺等多层次的、精妙的互动。
（14） Modulation of lipopeptidome expression upon interactions 相互作用时脂肽组表达的调节
这部分内容揭示了芽孢杆菌如何像一个“智能化的先进工厂”，根据外部环境的变化，实时调整其“王牌产品”（环脂肽CLPs）的生产策略
高度感知能力：它能区分来自植物、病原真菌、有益真菌、细菌竞争对手等不同来源的化学信号。
精准响应策略：
对植物（盟友）：增产“殖民工具”（表面活性素），以便安家。
对病原真菌（敌人）：增产“特异性武器”（iturin/fengycin），准备战斗。
对有益真菌（朋友）：关闭武器生产，避免误伤，寻求合作。
对细菌竞争对手：增产“防御和移动装备”（表面活性素），进行非致命性的竞争和防御。
进化优势：这种“智能调控”让芽孢杆菌能够以最高的效率分配其宝贵的资源和能量，在复杂的根际环境中最大限度地提高自身的适应性和竞争力。
Figure 2. Key figure. Natural functions of cyclic lipopeptides (CLPs) in the rhizosphere context, highlighting their role as mediators of multitrophic interactions with the host and other soil (micro)organisms. 关键人物。环脂肽(CLPs)在根际环境中的自然功能，强调它们作为与宿主和其他土壤(微生物)生物的多营养相互作用的介质的作用。
The figure is divided into three sections, each depicting relationships and interactions facilitated by CLPs. (A) Antagonistic effects of CLPs. Pathogenic bacteria, (social) amoebae, microalgae, and pathogenic fungi can be suppressed by CLPs, protecting plant roots from diseases through direct antagonism. In the special case of amoebae, biotransformed CLPs can also be toxic. (B) CLPs in rhizobacteria–plant interactions. The perception of plant cell wall polymers and exudates triggers the production of CLPs, which act as elicitors of host immunity and induce systemic resistance against pathogen infection. CLPs also contribute to biofilm formation on root surfaces, enhancing microbial colonization and plant protection. (C) CLPs involved in social interactions. CLPs that may be stimulated in response to exogenous cues mediate commensal or mutualistic interactions with soil microorganisms such as arbuscular mycorrhizal fungi. Besides their roles in horizontal gene transfer and motility, CLPs can be biotransformed and further used by some Streptomyces species to sustain growth. Some signals modulating CLP synthesis have been identified but others still remain to be discovered. Figure created with BioRender.com. Abbreviation: ISR, induced systemic resistance. 该图分为三个部分，每个部分描述了CLP促进的关系和交互。(CLPs的拮抗作用。CLPs可以抑制病原菌、(社会)阿米巴、微藻和病原真菌，通过直接拮抗作用保护植物根部免受病害。在阿米巴的特殊情况下，生物转化的CLP也可能是有毒的。(B)根细菌-植物相互作用中的CLPs。植物细胞壁聚合物和分泌物的感知触发CLP的产生，CLP作为宿主免疫的激发子，诱导对病原体感染的系统抗性。CLP也有助于根表面生物膜的形成，增强微生物的定居和植物保护。(C)参与社会互动的CLP。响应于外源线索而被刺激的CLP介导与土壤微生物如丛枝菌根真菌的共生或互惠相互作用。除了它们在水平基因转移和运动中的作用，CLPs可以被生物转化，并进一步被一些链霉菌属物种用于维持生长。一些调节CLP合成的信号已经被确认，但其他的仍有待发现。与BioRender.com一起创作的人物。缩写:ISR，诱导系统抗性。
注：武器（Weapon）：用于直接对抗竞争者、病原体和捕食者。（A部分）
工具/信号（Tool/Signal）：用于在植物上定居、构建生物膜并与植物进行有益沟通。（B部分）
货币（Currency）：在微生物网络中流动，被其他微生物感知、利用、降解和回收，从而调节复杂的社交互动。（C部分）