近日，我校物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院葛宏華教授團隊和蘭州大學(xué)何永興教授課題組在細(xì)菌代謝協(xié)同調(diào)控機制研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了熒光假單胞菌TetR家族的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子PhlH可以響應(yīng)假單胞菌和植物信號分子協(xié)同調(diào)控產(chǎn)生多種次級代謝產(chǎn)物。相關(guān)成果以“Molecular basis for coordinating secondary metabolite production by bacterial and plant signaling molecules”為題發(fā)表在Nature Index期刊《Journal of Biological Chemistry》上。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥和農(nóng)藥的大量使用及其在生態(tài)系統(tǒng)中的累積嚴(yán)重威脅著環(huán)境和人類健康，植物根際促生菌(Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR)可以在植物根際范圍生存和繁殖，通過多種作用機制拮抗其他微生物菌群（包括植物病原菌）、促進(jìn)植物生長，因此PGPR作為生防菌在保護(hù)作物、促進(jìn)生長和改善土壤健康等方面起著至關(guān)重要的作用，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力逐漸凸顯。假單胞菌屬包含大量的生防菌株，通過產(chǎn)生2,4-二乙酰基間苯三酚（2,4-DAPG）、藤黃綠膿菌素、硝吡咯菌素、根菌素、莫匹羅星、脂肽類物質(zhì)和鐵載體等多種重要次生代謝物，幫助植物抵抗生物類侵害和非生物脅迫，在農(nóng)作物土傳病害的生物防治中起著重要作用。眾多次生代謝物的合成會給細(xì)菌帶來沉重的代謝負(fù)擔(dān)，因此如何協(xié)調(diào)它們的生物合成至關(guān)重要。

研究團隊通過蛋白質(zhì)組學(xué)研究，表明熒光假單胞菌PhlH是一種TetR家族的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，可以協(xié)調(diào)與多個次級代謝物生物合成相關(guān)的酶的表達(dá)，包括2,4-DAPG、莫匹羅星和鐵載體。進(jìn)而解析了apo-PhlH及2,4-DAPG結(jié)合PhlH的晶體結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)分析和一系列生化實驗，闡明了其配體識別和別構(gòu)調(diào)節(jié)機制。此外，2,4-DAPG從配體結(jié)合域的解離引起PhlH變構(gòu)從而觸發(fā)PhlH二聚體中DNA結(jié)合域的“鐘擺狀”運動，導(dǎo)致其DNA結(jié)合域封閉到開放的構(gòu)象轉(zhuǎn)變引發(fā)PhlH從DNA解離，結(jié)合分子動力學(xué)模擬證實PhlH通過特定的氫鍵相互作用穩(wěn)定了兩種不同的構(gòu)象狀態(tài)。研究結(jié)果不僅揭示了TetR家族調(diào)節(jié)中變構(gòu)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的保守途徑，還為細(xì)菌代謝協(xié)同調(diào)控機制提供了新見解。

圖 TetR家族的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子PhlH響應(yīng)細(xì)菌和植物信號分子協(xié)同調(diào)控分子機制

張楠楠副教授、已畢業(yè)碩士生吳謹(jǐn)和蘭州大學(xué)博士后張四萍為本文共同第一作者，葛宏華教授、蘭州大學(xué)何永興教授為本文的共同通訊作者，安徽大學(xué)為第一作者單位。部分實驗得到了王明珠副研究員和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張力群教授的支持。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金（31970103、31971422)和安徽省重點研究計劃（202004a06020035）等項目的資助。