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文章背景簡介   

BACKGROUND INTRODUCTION

微生物組在自然界中普遍存在，在眾多生物過程中發揮著重要作用。例如：環境污染物（如有機污染物、微塑料等）的降解、生物燃料（如甲烷、乙醇和石油）的生產、腸道生態系統穩態的維持等。近年來，通過重塑微生物組、提高微生物個體之間的協同效率，已經成為合成生物學和生物技術的熱點之一。向微生物引入群體感應的相關基因線路，對代謝物介導的通信模式進行改造等一些策略，也被日漸開發用于增強微生物群落之間的非接觸性相互作用，從而促進工業生產效能。除此之外，通過合成生物學技術來增強微生物之間的物理接觸（例如促進生物膜的形成），也是一種很有前途的策略，可以顯著改善細胞間物質、能量和信號的交換，從而調節微生物組的組成并增強生物功能。

植物的根際微生物組是由緊密圍繞植物根系狹窄區域的多種微生物群落（如細菌、真菌、原生動物和藻類）組成的，會受到根系代謝的動態影響。這些微生物群落與植物根系之間有著強烈的相互作用，可以通過釋放無機營養物質、產生植物激素、緩解環境壓力或其他機制來改善植物生長。此外，良性微生物群落還會通過形成物理保護層、產生抗菌劑、激活植物免疫反應等方式，保護植物免受病原體感染。因此，在植物相關農業、工業和環境保護中，優化根際微生物組是促進植物生長和增強之舞對物理、化學和生物脅迫抵抗力的一種很有前途的策略。其中，植物根際微生物的修復也是處理由重金屬和富營養化相關污染物引起的環境污染的普遍策略。盡管根際微生物組對植物修復至關重要，但人為重塑根際微生物組以加強多種污染物處理仍然是一個巨大的挑戰。

2022年，南開大學Hongda Yin 等人在《Journal of Hazardous Materials》（環境科學與生態學一區，IF=14.224）發表了題為“Synthetic physical contact-remodeled rhizosphere microbiome for enhanced phytoremediation”的研究論文。在這項研究中，作者設計了一種合成細菌來加強天然微生物和植物根系之間的物理接觸，以便在植物修復過程中重塑鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）根際微生物組。合成細菌EcCMC是通過引入由熒光蛋白mCherry序列分隔的兩個葡聚糖結合結構域組成的表面顯示的合成蛋白CMC來構建的。這種合成細菌能夠強烈結合葡聚糖并招募天然產生葡聚糖的細菌和真菌細胞。微生物組和代謝組學分析表明，EcCMC顯著重塑了根際微生物組，增加了脅迫反應相關代謝物，導致參與抗逆的抗氧化酶的活性增加。重塑后的微生物組進一步促進了植物生長，增強了多種污染物向植物的積累，重金屬鎘、全有機質、全氮、全鉀、全磷的去除效率分別達到98%、80%、97%、93%和90%。這項研究為根際微生物組的重塑提供了新的線索，可用于增強水和土壤系統的植物修復。

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所用到的主要方法

METHODS   

1. 應變

2. 多糖結合測定

3. 微生物募集測定

4. 根結合測定

5. 根際微生物組的重塑

6. 根際微生物組分析

7. 根代謝組學分析

8. 生化分析

9. 污染物去除測定

10. 統計分析

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文章主要內容摘要

ABSTRACT 

微生物細胞和相關細胞外聚合物底物 （EPS）構成了生物體之間的自然物理接觸。然而，這些接觸不穩定，并且經常受到復雜的環境因素（例如溫度、pH 值、C/N 比、金屬離子等）的損害。

合成生物學是大規模重塑細胞表面成分的有力策略，因此已成為增強植物與其他生物之間物理聯系的有效方法，有助于形成緊密的微生物組 - 植物共生體。

本研究的目的是構建能夠增強物理接觸的合成細菌，并將之用于植物根際微生物組的人工重塑修復。作者通過模擬葡聚糖結合蛋白和葡聚糖底物之間的結合來設計一種合成細菌。然后將所得的合成細菌EcCMC暴露出人工葡聚糖結合蛋白CMC，用于加強天然微生物與植物根系之間的物理接觸，并進一步評估了合成細菌相在重塑修復模式植物鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）根際微生物組中的作用，以及它們對去除多種污染物的影響。 合成物理接觸的設計將為重塑根際微生物組在廢水處理和土壤污染物去除過程中進行植物修復提供新的線索。

綜合而言，本研究開發了一種基于合成細菌的物理接觸方法，能夠重塑根際微生物組以增強污染物處理。合成細菌EcCMC暴露了一種人工葡聚糖結合蛋白，該蛋白可以強烈招募天然細菌和產生含葡聚糖多糖的真菌。在與模式植物鳳眼蓮根系的相互作用過程中，EcCMC大大增加了根部的微生物生物量，并強烈重塑了根際微生物組。EcCMC重塑的微生物組能夠進一步促進植物生長和抗氧化能力，從而提高了植物去除鎘和富營養化相關污染物的能力。本研究提供了一種基于物理接觸的策略來重塑根際微生物組以增強植物修復。

簡而言之，本文的主要研究內容有：

1、構建了暴露葡聚糖結合蛋白的合成細菌EcCMC。

2、EcCMC強力結合葡聚糖并募集天然產生葡聚糖的微生物。

3、EcCMC顯著重塑了Eichhornia crassipes根際微生物組。

4、EcCMC改變根系代謝譜并上調抗氧化酶。

5、EcCMC促進植物生長，改善污染物去除。

       原文標題 : 通過合成生物學改變物理接觸，可以重塑植物根際微生物組并去除土壤污染物