青枯菌假单胞菌株OE1-1在富Fe2+条件下响应胞外铁水平的两个铁摄取调节蛋白协同作用机制

本研究聚焦于青枯病菌（RSSC）在感染番茄过程中，从缺铁的土壤环境进入富铁的宿主根部时，如何感知和响应胞外铁水平。文章首次揭示了RSSC中存在两个铁摄取调节蛋白（Fur1和Fur2）。研究发现，在富Fe2+条件下，Fur1和Fur2协同抑制铁载体（siderophore）相关基因的表达及胞外Fe3+螯合活性，并调控细菌生长和致病力。这提示RSSC可能通过双Fur蛋白系统精细调控铁获取，以维持其在作物中的致病力，为理解植物病原菌适应铁环境变化的机制提供了新视角。

　　

RSSC基因组包含一个保守的Fur和一个额外的非保守Fur

研究团队在青枯病菌株OE1-1的基因组中鉴定出两个基因，fur1(RSc2747) 和 fur2(RSp0247)，分别编码Fur1和Fur2。通过进化树分析和保守基序比较发现，RSSC的四个谱系菌株均含有这两个Fur同源物，其中Fur1是与其他伯克霍尔德菌科物种中存在的保守Fur，而Fur2是RSSC及其近缘种所特有的一个额外旁系同源蛋白。这表明Fur1和Fur2是功能特征不同的蛋白，在RSSC中并存是其物种特征。

Fur1和Fur2在富Fe²⁺条件下调控铁载体相关基因的表达

为探究Fur1和Fur2对基因表达的调控作用，研究者对OE1-1野生型、fur1缺失突变体（Δfur1）、fur2缺失突变体（Δfur2）以及双缺失突变体（Δfur1Δfur2）进行了RNA测序（RNA-seq）分析。结果发现，在富Fe²⁺条件下，Δfur1和Δfur1Δfur2中大量铁载体生物合成过程相关基因的表达显著上调。具体来说，涉及两种已知铁载体micacocidin和staphyloferrin B合成的基因簇表达均增加。Fur1是主要的阻遏因子，而Fur2在缺乏Fur1的情况下也表现出对micacocidin基因簇的阻遏作用，两者协同抑制铁载体相关基因的表达。此外，转录组分析还显示Fur1和Fur2对抗性和鞭毛组装相关基因的表达有调控作用，并可能诱导一些毒力相关基因（如eps操纵子和egl）的表达。

Fur1是富Fe²⁺条件下胞外Fe³⁺螯合活性的主要调节者，Fur2也参与其中

通过体外胞外Fe³⁺螯合活性实验，证实了Fur1和Fur2在铁稳态中的功能。在富Fe²⁺条件下，野生型OE1-1的胞外Fe³⁺螯合活性较低。缺失fur2导致活性增加，缺失fur1导致更大幅度的增加，而双缺失突变体（Δfur1Δfur2）的活性最高。这表明Fur1是维持低水平螯合活性的主要阻遏蛋白，而Fur2也起到了辅助的抑制作用，两者在富Fe²⁺条件下共同抑制胞外铁螯合活性。

Fur1和Fur2冗余地影响多种代谢相关基因的表达

转录组数据显示，有102个下调差异表达基因和20个上调差异表达基因是双缺失突变体（Δfur1Δfur2）所特有的，表明Fur1和Fur2对这些基因的表达具有冗余调控作用。其中，在Δfur1Δfur2中特异性上调的基因主要富集于硝酸盐还原酶活性和硝酸盐同化等与硝酸盐代谢相关的功能。这揭示了Fur1和Fur2冗余地抑制了硝酸盐代谢相关基因的表达，暗示了RSSC中铁代谢与氮代谢之间存在紧密联系。

缺失fur2降低菌株生长，而同时缺失fur1和fur2导致更严重的生长缺陷

对细菌生长曲线的监测发现，在富Fe²⁺条件下，Δfur2的生长速率低于野生型，而Δfur1的生长速率与野生型相似。值得注意的是，双缺失突变体（Δfur1Δfur2）的生长水平远低于单缺失突变体。这表明Fur2对维持OE1-1的适宜生长水平是必需的，而Fur1对生长具有冗余效应，二者协同影响菌株的体外生长。

Fur1和Fur2共同促进OE1-1在番茄植株中的完全致病力

利用番茄植株进行的致病力测定结果显示，接种Δfur1或Δfur2的植株，其发病指数在接种后4-7天显著低于接种野生型的植株，但后期逐渐恢复。而接种双缺失突变体（Δfur1Δfur2）的植株，其发病指数显著低于单缺失突变体，植株存活率更高，且细菌在根系中的定殖数量在接种后6天也显著更低。这些结果表明，Fur1和Fur2均能促进OE1-1的致病力，并且两者在维持感染过程中的细菌种群数量和完全毒力方面发挥着协同作用。研究人员推测，突变体毒力下降可能与异常升高的铁螯合活性触发植物免疫反应有关，也可能与细胞内过量Fe²⁺导致的毒性有关。

讨论与展望

综上所述，本研究揭示了青枯病菌复合体（RSSC）通过拥有两个功能协同的铁摄取调节蛋白Fur1和Fur2，来精细应对从缺铁土壤到富铁宿主根际的环境转变。在富Fe²⁺条件下，两者协同抑制铁载体相关基因的表达和胞外Fe³⁺螯合活性，调控硝酸盐代谢等多重通路，并最终影响细菌的生长和致病力。其中Fur1发挥着主要作用，而Fur2提供了次级或冗余的功能。这两个蛋白分属不同的进化支，并具有不同的结构特征，它们的存在可能是RSSC成功侵染宿主的关键特征之一。未来的研究需进一步阐明Fur1和Fur2具体的生化作用机制，以及其在宿主内部环境中如何响应宿主的免疫反应，从而为控制这种重要植物病原菌提供新的潜在靶点。