近日，我校物质科学与信息技术研究院葛宏华教授团队和兰州大学何永兴教授课题组在细菌代谢协同调控机制研究领域取得新进展，发现了荧光假单胞菌TetR家族的转录调节因子PhlH可以响应假单胞菌和植物信号分子协同调控产生多种次级代谢产物。相关成果以“Molecular basis for coordinating secondary metabolite production by bacterial and plant signaling molecules”为题发表在Nature Index期刊《Journal of Biological Chemistry》上。
农业生产中化肥和农药的大量使用及其在生态系统中的累积严重威胁着环境和人类健康，植物根际促生菌(Plant growth promoting rhizobacteria，PGPR)可以在植物根际范围生存和繁殖，通过多种作用机制拮抗其他微生物菌群（包括植物病原菌）、促进植物生长，因此PGPR作为生防菌在保护作物、促进生长和改善土壤健康等方面起着至关重要的作用，在农业领域的应用潜力逐渐凸显。假单胞菌属包含大量的生防菌株，通过产生2,4-二乙酰基间苯三酚（2,4-DAPG）、藤黄绿脓菌素、硝吡咯菌素、根菌素、莫匹罗星、脂肽类物质和铁载体等多种重要次生代谢物，帮助植物抵抗生物类侵害和非生物胁迫，在农作物土传病害的生物防治中起着重要作用。众多次生代谢物的合成会给细菌带来沉重的代谢负担，因此如何协调它们的生物合成至关重要。
研究团队通过蛋白质组学研究，表明荧光假单胞菌PhlH是一种TetR家族的转录调节因子，可以协调与多个次级代谢物生物合成相关的酶的表达，包括2,4-DAPG、莫匹罗星和铁载体。进而解析了apo-PhlH及2,4-DAPG结合PhlH的晶体结构，通过结构分析和一系列生化实验，阐明了其配体识别和别构调节机制。此外，2,4-DAPG从配体结合域的解离引起PhlH变构从而触发PhlH二聚体中DNA结合域的“钟摆状”运动，导致其DNA结合域封闭到开放的构象转变引发PhlH从DNA解离，结合分子动力学模拟证实PhlH通过特定的氢键相互作用稳定了两种不同的构象状态。研究结果不仅揭示了TetR家族调节中变构信号转导的保守途径，还为细菌代谢协同调控机制提供了新见解。
图 TetR家族的转录调节因子PhlH响应细菌和植物信号分子协同调控分子机制
张楠楠副教授、已毕业硕士生吴谨和兰州大学博士后张四萍为本文共同第一作者，葛宏华教授、兰州大学何永兴教授为本文的共同通讯作者，安徽大学为第一作者单位。部分实验得到了王明珠副研究员和中国农业大学张力群教授的支持。该研究工作得到国家自然科学基金（31970103、31971422)和安徽省重点研究计划（202004a06020035）等项目的资助。