沙雷氏菌抗生性次级代谢产物合成机制

白腾飞， 刘月芹，2*

(1.延安大学 生命科学学院，陕西 延安 716000；2.陕西省区域生物资源保育与利用工程技术研究中心，陕西 延安 716000)

沙雷氏菌抗生性次级代谢产物合成机制

白腾飞1， 刘月芹1，2*

(1.延安大学 生命科学学院，陕西 延安 716000；2.陕西省区域生物资源保育与利用工程技术研究中心，陕西 延安 716000)

沙雷氏菌(Serratia)是一类重要的生防菌，能分泌多种抗生性代谢产物，如灵菌红素、脂肽、碳青霉烯、几丁质酶、异硫霉素、硝吡咯菌素、水解酶、大环内酯类抗生素、嗜铁素等，从而抑制不同植物病原真菌的生长。总结了沙雷氏菌中已报道的抗生性次级代谢产物生物合成机制，重点阐述了次生代谢产物的功能、合成途径等的新进展，同时对沙雷氏菌在生物防治中的应用和其作为生防菌剂的前景进行展望。

沙雷氏菌；抗生性次级代谢产物；合成机制；生物防治

植物病虫害严重威胁农业生产，造成巨大的经济损失。而化学农药制剂的使用导致农药超标、环境污染等一系列问题，严重威胁生态环境的稳定和人类健康。利用生防菌剂的生物防治是改善这一问题的有效途径。沙雷氏菌属的细菌能分泌许多抗生性代谢产物(如灵菌红素、脂肽、碳青霉烯、几丁质酶、异硫霉素、嗜铁素等)抑制不同植物病原真菌生长，对生防菌剂及生物农药的开发具有积极作用。研究发现粘质沙雷氏菌SerratiamarcescensHal菌株具有较强的除草活性，其代谢产物粗提物对马唐种子萌发的根长和芽长的IC50分别为2 828和3 332 mg/L[1]。粘质沙雷氏菌SerratiamarcescensCFFSUR-B2的次生代谢产物灵菌红素及几丁质酶可以抑制子囊球腔菌孢子的萌发以及菌管的形成[2]。变形斑沙雷氏菌Serratiaproteamaculans336x能破坏子囊菌禾顶囊壳小麦变种(Gaeumannomycesgraminisvar.tritici.Ggt)的真菌孢子，有效控制小麦全腐病[3]。普城沙雷氏菌SerratiaplymuthicaZ10对辣椒立枯病菌(Rhizoctoniasolani)、油菜菌核病菌(Sclerotiniasclerntiorum)、番茄灰霉病菌(Botrytiscinerea)等3种植物病原真菌都有不同程度的抑制，主要表现为可以使病原真菌细胞畸形，肿胀继而崩解，破坏细胞壁[4]。国内外学者对沙雷氏菌抗生性次级代谢产物的合成机制、作用机制等进行了较为深入的研究，本文对相关研究进行了总结。

1 沙雷氏菌的生物特性

沙雷氏菌在自然界中分布广泛，是水和土壤中的常居菌群，有粘质沙雷氏菌(Serratiamarcescens)、臭味沙雷氏菌(Serratiaodorifera)、深红沙雷氏菌(Serratiarubidaea)等。其中最具有代表性的S.marcescens是一种产红色色素的细菌，约0.5 μm×(0.5～1.0)μm，周身有鞭毛，能运动，无荚膜，无芽胞，在普通的琼脂培养基上25～30 ℃培养1～2 d出现黏性、中心颗粒状、有恶臭菌落，约半数菌株能产生灵菌红素(Prodigiosin)。

2 沙雷氏菌抗生性次级代谢产物合成机制的研究现状

随着分子技术的发展，目前已经初步揭示了沙雷氏菌产生灵菌红素(Prodigiosin,PG)、脂肽(Serrawettin,SW)、碳青霉烯(Carbapenemase)、几丁质酶(Chitinase)、异硫霉素(Althiomycin)、细菌素(Subtilin)等代谢产物的合成机制。

2.1灵菌红素

研究表明粘质沙雷氏菌在28 ℃产次级代谢产物灵菌红素，但37 ℃却不产灵菌红素[5]，充分说明灵菌红素的产生和温度有关。灵菌红素是由粘质沙雷氏菌产生的一类具有吡咯环结构的紫红色代谢产物，其中的一个吡咯环C2上带有一个甲基，C3上则有一个戊基，灵菌红素的化学结构见图1。

灵菌红素具有多种生物活性作用，能抗癌、抗菌、抗疟疾、抗霉、激活细胞内凋亡程序等。1977年，Fullan首次验证了灵菌红素具有抗癌作用,并随着研究的深入，发现灵菌红素对多种肿瘤细胞系有拮抗作用[5-6]。沈亚领等报道灵菌红素在浓度达到5 μmol/L就可以显著抑制癌细胞的浸润转移而对正常细胞则表现出低毒害作用[7]，从而成为一种非常有潜力的抗癌物质[6]。

前人对于灵菌红素的合成机制运用标记前体物的方法进行了研究，发现PG的合成是由pig基因簇通过合成各种Pig酶控制的。由Serratia合成prodigision是通过一分子脯氨酸和丝氨酸及多个醋酸铵分子以一条二叉途径逐步合成MAP和MBC的两个主要前体，再在灵菌红素缩合酶作用下合成，合成路线见图2[8-9]。

2.2脂肽

生物表面活性剂通常分为糖脂、中性脂或脂肪酸、磷脂、脂肽和多聚生物表面活性剂等[10]。

Serrawettin类物质种类有Serrawettin W1(SW1), Serrawettin W2(SW2)，Serrawettin W3(SW3)。其中产生SW1的菌株有粘质沙雷氏菌S.marcescensNS 38、 粘质沙雷氏菌S.marcescensATCC 274、粘质沙雷氏菌S.marcescensATCC 13380，产生SW2的菌株有粘质沙雷氏菌S.marcescensNS 25[10-11]，而产生SW3的菌株是粘质沙雷氏菌S.marcescensNS45和S.marcescensNS50。现在对SW3的环脂肽结构尚不清楚。SW1、 SW2结构见图3。

据报道[12]粘质沙雷氏菌S.marcescens274产SW1，SW1在群集运动中发挥重要的作用，具有抗菌活性。SW1由2分子的丝氨酸和2分子β-羟基癸酸在PPTase(4′-磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶)的催化下通过硫脂键及酰胺键连接而成。图4为其生物合成图，但目前 SW2与SW3的生物合成机制尚不清楚。

图2 粘质沙雷氏菌中灵菌红素的生物合成[8-9](┄→表示经过多步反应)Fig.2 The biosynthesis of prodigiosin in serratia macescens[8-9](┄→ represent a multistep reaction)

图3 Serrawettin W1(SW1)、Serrawettin W2(SW2)的环脂肽结构Fig.3 The cylic lipopeptide structure of Serrawettin W1,Serrawettin W2

图4 Serrawettin W1的生物合成[13-14](┄→ 表示是经过多步反应)Fig.4 The biosynthesis of Serrawettin W1 in serratia macescens[13-14](┄→ represent a multistep reaction)

2.3碳青霉烯

碳青霉烯类抗生素是抗菌谱最广，抗菌活性最强的、非典型β-内酰胺抗生素[15]，因其具有对β-内酰胺酶稳定以及毒性低等特点，已经成为治疗细菌感染最主要的抗菌药物之一[16]。硫霉素和3-羧酸碳青霉烯是典型的碳青霉烯类抗生素，S.marcescens可产生3-羧酸碳青霉烯(图5)。

图5 3-羧酸碳青霉烯化学结构

3-羧酸碳青霉烯可以由欧文氏菌(Erwinia)和粘质沙雷氏菌产生。粘质沙雷氏菌S.marcescensATCC39006可以产生碳青霉烯类化合物[17]。而Erwiniacarotovora与S.marcescens都有carA、carB、carC基因，这三个基因产生的酶在碳青霉烯生物合成中起着重要作用。

3-羧酸碳青霉烯的生物合成主要经过以下过程(图6)：在CarB(羧甲基脯氨酸合成酶)的催化下，丙二酰CoA和L-GHP(GSA、5HP、P5C的统称，三者可以相互转化)反应生成t-CMP((2S,5S)-反式羧甲基脯氨酸)；CarA(碳培南合成酶)在ATP的作用下，催化t-CMP形成β-内酰胺环，得到(3S,5S)-碳培南；最后CarC(碳青霉烯合成酶)将(3S,5S)-碳培南转化成3-羧酸碳青霉烯。

图6 3-羧酸碳青霉烯的生物合成[18]Fig.6 The biosynthesis of 3-carboxylic acid carbapenem in serratia macescens[18]

2.4几丁质酶合成机制

几丁质酶(Chinase)又称甲壳素[19]，能将几丁质分解成几丁寡糖与单糖，从而破坏病原真菌的细胞壁，起到防治病害真菌的作用。研究发现沙雷氏菌所产生的几丁质酶靶向定位于富含几丁质的细胞壁，几丁质酶与灵菌红素有协同作用可以抑制灰霉[20]。

S.marcescens主要产两种重要的几丁质酶ChiA和ChiB，有研究表明变形斑沙雷氏菌S.proteamculan18A1产ChiA在细菌中，几丁质降解可以生成几丁单糖、几丁二糖以及几丁三糖等多种几丁寡糖[21-22]，这些研究都证明几丁质酶是沙雷氏菌中重要的次级代谢产物，而S.marcescens作为重要的几丁质酶产生菌引起了中外学者的关注[23]。但对几丁质酶的合成机制尚不清楚。

3 展 望

研究表明沙雷氏菌可以产生大量的胞外及胞内酶，这些次级代谢产物对自身的生存起着至关重要的作用。在生防菌剂应用上，沙雷氏菌的次级代谢产物具有很好的应用前景[19]。Gutiérrez-Román等[24]通过对3株粘质沙雷氏菌株(CFFSUR-B2、CFFSUR-B3、CFFSUR-B4)的研究发现，其所产生的灵菌红素以及几丁质酶对病害真菌具有一定的抗菌活性。有研究指出Seratiamarcescens39006产生碳青霉烯(carbapen-2-em-3-carboxylic acid)和灵菌红素(prodigiosin)，而碳青霉烯作为抗生素已经应用于临床，灵菌红素可以抑制病原菌的生长[25-26]。通过基因改造获得活性较好的几丁质酶，可以抑制多种病原真菌，为构建良好沙雷氏属生防菌株奠定了理论基础[27]。

本实验室从烟草根际土壤中筛选到一株产红色色素粘质沙雷氏菌YD25，真菌对峙实验表明菌株YD25对尖孢镰刀菌(Fusariumoxysporum)、小麦根腐病菌(Drechslear)、西瓜腐烂病菌(Colletotrichumlagenarium(Pass.)Ell.et halst)、辣椒炭疽病菌(Colletotrichumcapsici(syd)Butl.)、立枯丝核菌(Rhizoctoniasolani)等具有较好的抑制作用。菌株YD25是经报道的能够同时产灵菌红素和SW2类物质的粘质沙雷氏菌菌株，其产物良好的生物活性在生物农药和治疗领域方面具有潜在的应用前景。关注灵菌红素和脂肽NRPS-PKS、NRPS生物合成机制及相应的调控机理，探讨两种产物在分子层面上的相关性，为改造菌株以及提高菌株合成两种产物的能力奠定基础。由此可见沙雷氏菌具有良好的生防应用前景及价值，但是沙雷氏菌走向应用，需要对其生物合成途径、遗传改造、定殖能力等方面进行综合考察,才能在生物防治中起到重要作用。

[1] Yang J, Wang W, Yang P,et al. Isolation and identification ofSerratiamarcescensHa1 and herbicidal activity of Ha1 "pesta" granular formulation[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2015, 14(7): 1348-1355.

[2] Ingrid M, Abullet G-R, Holguín-Meléndez F, et al. Antifungal activity ofSerratiamarcescensCFFSUR-B2 purified chitinolytic enzymes and prodigiosin against Mycosphaerella fijiensis, causal agent of black Sigatoka in banana (Musaspp.)[J]. Biocontrol, 2015, 60(4): 565-572.

[3] 马海昊. 变形斑沙雷氏菌336X生防相关基因phy的克隆、功能分析及原核表达[D].郑州：河南大学, 2011.

[4] 杨淑君. 普城沙雷氏菌 Z10 发酵工艺, 防病效果及种衣剂研究[D].兰州：甘肃农业大学, 2010.

[5] 李雪萍, 张国建, 李静,等. 灵菌红素类化合物抗肿瘤活性研究进展[J]. 中国海洋药物, 2012, 31(1): 55-59.

[6] 沈亚领, 刘建文, 魏东芝,等. 灵菌红素对人胰腺癌细胞增殖抑制的实验研究[J]. 中国临床药理学与治疗学, 2004, 9(5): 504-509.

[7] 张靖, 沈亚领, 刘建文,等. 灵菌红素抗癌细胞浸润转移作用及对MMPs活性的影响[J]. 中国临床药理学与治疗学, 2004, 10(10): 1091-1095.

[8] Sunaga S, Li H, Sato Y, et al. Identification and characterization of thepswP gene required for the parallel production of prodigiosin and serrawettin W1 inSerratiamarcescens[J]. Microbiology and immunology, 2004, 48(10): 723-728.

[9] Williamson NR, Fineran PC, Leeper FJ, et al. The biosynthesis and regulation of bacterial prodiginines[J]. Nature Reviews Microbiology, 2006, 4(12): 887-899.

[10] Das P, Mukherjee S, Sen R，et al. Genetic Regulations of the Biosynthesis of Microbial Surfactants: An Overview[J]. Biotechnology & Genetic Engineering Reviews, 2008, 25(1): 165-186.

[11] Tanikawa T, Nakagawa Y, Matsuyama T,et al. Transcriptional downregulatorhexS controlling prodigiosin and serrawettin W1 biosynthesis inSerratiamarcescens[J]. Microbiology & Immunology, 2006, 50(8): 587-596.

[12] Soo P C,Horng Y T,Wei J R,et al.Regulation of swarming motility and flhDC(Sm) expression by RssAB signaling in Serratia marcescens[J].Jourmal of Bacteriology,2008,190(7):2496-2504.

[13] Li H, Tanikawa T, Sato Y, et al. Gene Required for Surfactant Serrawettin W1 Production Encodes Putative Aminolipid Synthetase Belonging to Nonribosomal Peptide Synthetase Family[J]. Microbiology & Immunology, 2005, 49(4): 303-310(308).

[15] 谢奇恩, 林福林, 庞素秋,等. 碳青霉烯类抗生素的研究进展[J]. 北方药学, 2011, 8(2): 51-54.

[16] 张石革, 藏靖, 梁建华,等. 碳青霉烯类抗生素的研究进展及其在抗感染中的应用评价[J]. 中国医院用药评价与分析, 2004, 4(2): 71-75.

[17] Thomson N R,Crow M A,Mcgowan S J.et al.Biosynthesis of carbapenem antibiotic and prodigiosin pigment in Serratia is under quorum sensing control[J].Molecular Microbiology,2000,36(3)539 -556.

[18] Coulthurst SJ, Barnard AM, Salmond GP,et al. Regulation and biosynthesis of carbapenem antibiotics in bacteria[J]. Nature Reviews Microbiology, 2005, 3(4): 295-306.

[19] 王治伟, 刘志敏. 微生物几丁质酶研究进展[J]. 生物技术通讯, 2006, 17(3): 439-442.

[20] Petersen LM, Tisa LS. Friend or foe A review of the mechanisms that drive Serratia towards diverse lifestyles[J]. Canadian journal of microbiology, 2013, 59(9): 627-640.

[21] Felse P, Panda T. Regulation and cloning of microbial chitinase genes[J]. Applied microbiology and biotechnology, 1999, 51(2): 141-151.

[22] Xie C, Jia H, Chen Y. Regulation of chitinase genes expression in bacteria[J]. Hereditas, 2011, 33(10): 1029-1038.

[23] 孙胜利, 喻子牛, 贾新成. 微生物产几丁质酶的研究和应用进展[J]. 微生物学杂志, 2002，22(5): 47-50.

[24] Gutiérrez-Román MI, Holguín-Meléndez F, Bello-Mendoza R,et al. Production of prodigiosin and chitinases by tropicalSerratiamarcescensstrains with potential to control plant pathogens[J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2012, 28(1): 145-153.

[25] Cox A, Thomson N, Bycroft B, et al. A pheromone-independent CarR protein controls carbapenem antibiotic synthesis in the opportunistic human pathogenSerratiamarcescens[J]. Microbiology, 1998, 144(1): 201-209.

[26] Thomson N, Crow M, McGowan S, et al. Biosynthesis of carbapenem antibiotic and prodigiosin pigment inSerratiais under quorum sensing control[J]. Molecular microbiology, 2000, 36(3): 539-556.

[27] Babashpour S, Aminzadeh S, Farrokhi N,et al. Characterization of a chitinase (Chit62) fromSerratiamarcescensB4A and its efficacy as a bioshield against plant fungal pathogens[J]. Biochemical genetics, 2012, 50(9-10): 722-735.

ASurveyofSynthesisMechanismofAntibioticSecondaryMetabolitesbySerratiaspp.

BAI Teng-fei1, LIU Yue-qin1, 2

(1.Coll.ofLifeSci.,Yan′anUni.,Yan′an716000; 2.Res.Ctr.ofShanxiProv.,theRegionalRes.Conserv. &Util.Engin.Technol.,Yan′an716000)

Serratiais a kind of important bio-control bacteria that can secrete various antibiotic metabolites, such as the prodigiosin, lipopeptid, carbapenem, chitinase, althiomycin, pyrrolnitrin, hydrolase, macrolide antibiotics, siderophore, etc., thus inhibit the growth of different plant pathogenic fungi. The reported biosynthesis mechanism of antibiotic secondary metabolites bySerratiaspp. was summarized in this article, emphasizing on expounding the function of secondary metabolites, new progress of the synthetic route etc, at the same time its application in bio-control and its prospect as bio-control preparation was made.

Serratia; antibiotic secondary metabolites; synthesis mechanism; bio-control

延安大学博士科研基金项目(205040122)

白腾飞 男，硕士研究生。研究方向为应用微生物学。E-mail:1120309222@qq.com

* 通讯作者。女，博士研究生，讲师。研究方向为微生物学和食用菌。E-mail：liuyue811223@163.com

2016-10-20；

2016-11-28

Q935

A

1005-7021(2017)04-0115-05

10.3969/j.issn.1005-7021.2017.04.017