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文章背景简介   

BACKGROUND INTRODUCTION

微生物组在自然界中普遍存在，在众多生物过程中发挥着重要作用。例如：环境污染物（如有机污染物、微塑料等）的降解、生物燃料（如甲烷、乙醇和石油）的生产、肠道生态系统稳态的维持等。近年来，通过重塑微生物组、提高微生物个体之间的协同效率，已经成为合成生物学和生物技术的热点之一。向微生物引入群体感应的相关基因线路，对代谢物介导的通信模式进行改造等一些策略，也被日渐开发用于增强微生物群落之间的非接触性相互作用，从而促进工业生产效能。除此之外，通过合成生物学技术来增强微生物之间的物理接触（例如促进生物膜的形成），也是一种很有前途的策略，可以显著改善细胞间物质、能量和信号的交换，从而调节微生物组的组成并增强生物功能。

植物的根际微生物组是由紧密围绕植物根系狭窄区域的多种微生物群落（如细菌、真菌、原生动物和藻类）组成的，会受到根系代谢的动态影响。这些微生物群落与植物根系之间有着强烈的相互作用，可以通过释放无机营养物质、产生植物激素、缓解环境压力或其他机制来改善植物生长。此外，良性微生物群落还会通过形成物理保护层、产生抗菌剂、激活植物免疫反应等方式，保护植物免受病原体感染。因此，在植物相关农业、工业和环境保护中，优化根际微生物组是促进植物生长和增强之舞对物理、化学和生物胁迫抵抗力的一种很有前途的策略。其中，植物根际微生物的修复也是处理由重金属和富营养化相关污染物引起的环境污染的普遍策略。尽管根际微生物组对植物修复至关重要，但人为重塑根际微生物组以加强多种污染物处理仍然是一个巨大的挑战。

2022年，南开大学Hongda Yin 等人在《Journal of Hazardous Materials》（环境科学与生态学一区，IF=14.224）发表了题为“Synthetic physical contact-remodeled rhizosphere microbiome for enhanced phytoremediation”的研究论文。在这项研究中，作者设计了一种合成细菌来加强天然微生物和植物根系之间的物理接触，以便在植物修复过程中重塑凤眼莲（Eichhornia crassipes）根际微生物组。合成细菌EcCMC是通过引入由荧光蛋白mCherry序列分隔的两个葡聚糖结合结构域组成的表面显示的合成蛋白CMC来构建的。这种合成细菌能够强烈结合葡聚糖并招募天然产生葡聚糖的细菌和真菌细胞。微生物组和代谢组学分析表明，EcCMC显著重塑了根际微生物组，增加了胁迫反应相关代谢物，导致参与抗逆的抗氧化酶的活性增加。重塑后的微生物组进一步促进了植物生长，增强了多种污染物向植物的积累，重金属镉、全有机质、全氮、全钾、全磷的去除效率分别达到98%、80%、97%、93%和90%。这项研究为根际微生物组的重塑提供了新的线索，可用于增强水和土壤系统的植物修复。

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所用到的主要方法

METHODS   

1. 应变

2. 多糖结合测定

3. 微生物募集测定

4. 根结合测定

5. 根际微生物组的重塑

6. 根际微生物组分析

7. 根代谢组学分析

8. 生化分析

9. 污染物去除测定

10. 统计分析

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文章主要内容摘要

ABSTRACT 

微生物细胞和相关细胞外聚合物底物 （EPS）构成了生物体之间的自然物理接触。然而，这些接触不稳定，并且经常受到复杂的环境因素（例如温度、pH 值、C/N 比、金属离子等）的损害。

合成生物学是大规模重塑细胞表面成分的有力策略，因此已成为增强植物与其他生物之间物理联系的有效方法，有助于形成紧密的微生物组 - 植物共生体。

本研究的目的是构建能够增强物理接触的合成细菌，并将之用于植物根际微生物组的人工重塑修复。作者通过模拟葡聚糖结合蛋白和葡聚糖底物之间的结合来设计一种合成细菌。然后将所得的合成细菌EcCMC暴露出人工葡聚糖结合蛋白CMC，用于加强天然微生物与植物根系之间的物理接触，并进一步评估了合成细菌相在重塑修复模式植物凤眼莲（Eichhornia crassipes）根际微生物组中的作用，以及它们对去除多种污染物的影响。 合成物理接触的设计将为重塑根际微生物组在废水处理和土壤污染物去除过程中进行植物修复提供新的线索。

综合而言，本研究开发了一种基于合成细菌的物理接触方法，能够重塑根际微生物组以增强污染物处理。合成细菌EcCMC暴露了一种人工葡聚糖结合蛋白，该蛋白可以强烈招募天然细菌和产生含葡聚糖多糖的真菌。在与模式植物凤眼莲根系的相互作用过程中，EcCMC大大增加了根部的微生物生物量，并强烈重塑了根际微生物组。EcCMC重塑的微生物组能够进一步促进植物生长和抗氧化能力，从而提高了植物去除镉和富营养化相关污染物的能力。本研究提供了一种基于物理接触的策略来重塑根际微生物组以增强植物修复。

简而言之，本文的主要研究内容有：

1、构建了暴露葡聚糖结合蛋白的合成细菌EcCMC。

2、EcCMC强力结合葡聚糖并募集天然产生葡聚糖的微生物。

3、EcCMC显着重塑了Eichhornia crassipes根际微生物组。

4、EcCMC改变根系代谢谱并上调抗氧化酶。

5、EcCMC促进植物生长，改善污染物去除。

       原文标题 : 通过合成生物学改变物理接触，可以重塑植物根际微生物组并去除土壤污染物