近日，中国农业科学院生物技术研究所微生物智能设计与合成创新团队与法国巴斯德研究所、农业农村部沼气科学研究所合作，解析了水稻根际联合固氮菌——施氏假单胞菌A1501碳代谢物抑制调控系统Hfq/Crc/CrcZY参与碳源优先利用和最佳根际定殖固氮的分子机制。相关成果“Regulation of hierarchical carbon substrate utilization, nitrogen fixation, and root colonization by the Hfq/Crc/CrcZY genes in Pseudomonas stutzeri”在线发表在Cell子刊iScience（交叉科学）杂志上。

该研究发现，在液体摇瓶培养条件下，A1501优先利用琥珀酸和乳酸，随后是柠檬酸，最后是葡萄糖和苯甲酸，而有机酸存在时，非优势碳源如葡萄糖代谢被抑制，表现出一种挑食有机酸的非典型代谢物抑制现象。这种“有机酸效应”完全不同于肠道微生物如大肠杆菌优先利用葡萄糖，并抑制有机酸代谢的“葡萄糖效应”。为揭示其相关调控机制，该研究进一步开展了比较基因组学分析，发现A1501中存在假单胞属特异的由2个RNA结合蛋白Hfq/Crc和2个非编码RNA CrcZY组成的碳代谢物抑制调控系统。采用基因定点突变、靶标序列预测、足迹法、微量热涌动以及数字PCR等方法研究发现，当优势碳源如琥珀酸存在时，Hfq蛋白特异结合非优势碳源代谢基因mRNA上5’非编码区的(AAN)n基序，抑制其表达活性，而辅助蛋白Crc不具有RNA结合能力，但显著增强Hfq与靶标RNA的结合；一旦优势碳源耗尽，非编码RNA CrcZ高水平表达，将Hfq蛋白从靶标mRNA上竞争性移除，从而启动非优势碳源利用。

Hfq是一个全局性的转录后调控因子，直接或间接参与了生长繁殖、趋化运动、环境适应和竞争定殖等重要生理生化过程的调控。长期以来，Hfq被证明参与固氮活性和根表定殖的调节，但缺乏直接的分子证据。该研究发现，Hfq直接结合固氮酶结构基因nifH mRNA编码区的CA motif，增强mRNA稳定性，同时提高固氮正调节基因nifA的转录表达。特别令人感兴趣的是，在含混合碳源的平板培养或根际环境条件下，Hfq激活以葡萄糖为底物、固氮生物膜形成和根表早期定殖所必需的Psl胞外多糖合成，这一合成途径不被优势碳源如有机酸的抑制。

该研究揭示了Hfq在联合固氮菌挑食有机酸和适应根际环境相关调控网络中的核心作用，包括抑制特定碳源代谢基因靶标的翻译，激活固氮酶编码基因nifH转录后表达，同时在转录水平正调控胞外多糖基因簇的表达等。这是固氮微生物在营养竞争激烈的根际环境中进化出的一种生存竞争策略，对于解析根际固氮菌-宿主互作机制、人工设计能量合成模块和高效固氮模块，大幅度增强田间固氮效率具有重要的理论指导意义。

施氏假单胞菌碳源优先利用、固氮酶活性及胞外多糖合成的网络调控模式图

该研究得到国家重点研发计划合成生物学专项、国家自然科学基金重点项目、未来生物技术指南引导类项目和中国农业科学院科技创新工程项目的资助。博士研究生吕翻洋和战嵛华副研究员为共同第一作者，林敏研究员和燕永亮研究员为共同通讯作者。

原文链接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(22)01935-6