文獻分享:關於微生物幹旱脫水及響應幹旱的機製（土壤縫隙方麵）的綜述

文獻標題：

1.Microbial anhydrobiosesis

2.The Limits and Frontiers of Desiccation-Tolerant Life

3.Introduction to Bacterial Anhydrobiosesis: A General Perspective and the Mechanisms of Desiccation-Associated Damage

4.Can microbial cells develop resistance to oxidative stress in antimicrobial photodynamic inactivation?

網址：

1.https://doi.org/10.1111/1462-2920.15699

2.https://doi.org/10.1093/icb/45.5.685

3.https://doi.org/10.3390/microorganisms10020432

4.https://doi.org/10.1016/j.drup.2017.07.003

關(guan) 鍵詞：

1.microorganisms; cellular water; anhydrobiosesis; desiccation; rehydration process

2.desiccation; tolerence; drought; the limit of tolerence; gene

3.anhydrobiosesis; desiccation; membrane lipids; nucleic acids; proteins; cellular water

4.Bacillus cereus group; Halophytes; Salt stress; Whole-genome sequencing (WGS);  Comparative genomics; Secondary metabolites

主要內(nei) 容：

1、幹旱與(yu) 滲透壓^[1]

文獻中描述，幹旱與(yu) 滲透壓為(wei) 不一樣的概念。人們(men) （包括我們(men) ）容易混淆幹燥、（部分）脫水和滲透壓的定義(yi) 。而且，幹旱與(yu) 滲透壓對細胞的影響，以及壓力機製是完全不同的。

事實上，“完全幹燥”被定量定義(yi) 為(wei) ：含水量小於(yu) 0.1 g H₂O泥土幹質量的條件。^[2]這大致相當於(yu) 在50 % 相對濕度和 20 °C 的空氣中幹燥；對應於(yu) 0.50 的水分活度和 −100 MPa 的水勢。而許多實驗性“幹燥”研究都是通過添加高濃度鹽或溶質溶液作為(wei) 降低水分活度的手段來進行的。這些代表性的例子，其實物理上存在水，隻是其中大部分水是無法被生物所利用的。雖然高濃度的溶質使水的活度降低，但實際上體(ti) 係中仍含有水分。隻要有水分的存在，就能允許微生物運動，並促進營養(yang) 物質的擴散。相比之下，幹燥細胞中不存在大量水，細菌運動受到高度限製，這種情況和高濃度溶質的情況是完全不一樣的。

由於(yu) 我們(men) 主要鎖定解決(jue) 幹旱的目標在長江流域一帶，因此應當考慮該區域土壤的性質，並針對其性狀下手，改善土壤保水能力，減少灌溉後的水分流失。據之前查找的資料，以江西為(wei) 例，江西省紅壤麵積占土地總麵積的70%以上，鄱陽湖區土壤多為(wei) 砂土和紅壤。雖然紅壤的總持水量大，但有效水含量低，且發現紅壤及砂土調控水分的能力也較弱。這就是導致江西幹旱的主要原因之一 —— 土壤性狀不佳，灌溉後水分流失過快，無法為(wei) 農(nong) 作物提供足夠的水分。

*備注：這或許令人感到混亂(luan) ，不過文獻中有記錄，細菌對滲透壓的反應可能與(yu) 緩慢幹燥過程的第一階段同義(yi) 。另外，真實的環境條件與(yu) 實驗室的環境條件也有很大不同——在自然環境中，各種應激因素相互重疊，往往難以區分開來。因此，滲透壓和幹燥應力重疊也是十分常見的。^[1]

2、微生物對幹旱（幹燥）的響應機製^[3]

在幹燥條件下，細胞（細菌）脫水有兩(liang) 個(ge) 過程。部分脫水或者緩慢脫水時，細胞（細菌）外水分被去除。這導致外部環境中物質濃度的增加並導致滲透壓增高。當發生極度脫水的時候，細胞（細菌）中大分子水化膜也會(hui) 有所的損失。

文獻中敘述了各種幹燥對微生物的損傷(shang) ，而事實上，失水一旦開始，各種損傷(shang) 、以及細菌對其的應激措施都會(hui) 啟動。損傷(shang) 可以體(ti) 現在各種方麵，例如，水分缺失導致細菌體(ti) 內(nei) 的充盈減少，細胞收縮，最終細胞本身變得更加“擁擠”。另外，各類離子和代謝物濃度的增加也會(hui) 影響生化反應的循環。進一步，縮小的空間限製了分子的流動性，這又影響了代謝過程。其他損傷(shang) 還有蛋白質變性、核酸損傷(shang) 、膜脂結構被破壞等等。

值得注意的是一個(ge) “氧化應激反應”。文獻中表示，幹燥導致好氧細菌中產(chan) 生異常大量的活性氧（ROS），例如過氧化氫H₂O₂，超氧陰離子O₂^-· , 或羥基自由基·OH，這將會(hui) 促使細菌產(chan) 生“氧化應激反應” 。順帶一提，ROS含量飆增情況可能是兩(liang) 種原因造成的。

ROS過量產(chan) 生的第一個(ge) 原因可能是：在幹燥過程中，由於(yu) 細菌逐漸失水，單個(ge) 酶蛋白以及整個(ge) 電子傳(chuan) 輸鏈都會(hui) 受損，這導致細胞中和ROS的活動被抑製。研究證實了這一理論，結果表明呼吸率降低與(yu) 脫水存活率之間呈正相關(guan) 。同時也在酵母中測量到由於(yu) 脫水導致的氧化過程增加了 10 倍。這說明，幹燥的物理後果，如細胞皺縮、細胞內(nei) 濃度增加、細胞質流動性降低，會(hui) 促進 ROS 的積累。

ROS 過量產(chan) 生的第二個(ge) 原因可能是在細胞外水分耗盡期間和之後直接暴露於(yu) 空氣中。這可以解釋為(wei) 什麽(me) 會(hui) 有外源性 ROS 的出現，而且暴露在太陽輻射下也會(hui) 影響 ROS 的產(chan) 生。

由於(yu) 已經知曉芽孢杆菌基因BH32中含有這一類氧化應激反應的片段，為(wei) 了證實“利用細菌幹燥失水導致的氧化應激反應，依靠檢測細菌體(ti) 內(nei) ROS的含量，來啟動工程菌釋放保水劑”這個(ge) 想法的可行性，下麵進一步查找細菌氧化應激反應的資料。著重點在於(yu) ：對於(yu) 幹旱導致氧化應激的準確數據，細菌氧化應激反應的響應鏈，以及芽孢杆菌中BH32上的片段是否可行。

3、細菌的氧化應激反應^[4]

由於(yu) 細胞中的O₂無法在代謝過程中正常地被還原形成H₂O，過多的電子加到O₂上，會(hui) 產(chan) 生一係列活性氧（ROS），例如超氧化物 (O₂^-· )、過氧化氫 (H₂O₂ )、羥基自由基(·OH) 等。一般情況下，細菌（尤其是好氧菌）正常的代謝過程中也會(hui) 產(chan) 生一些ROS，隻是細菌體(ti) 內(nei) 清除ROS的係統可以調控自身體(ti) 內(nei) ROS的濃度，使其不會(hui) 危害自身。但是，當 ROS 與(yu) 其清除係統之間的平衡受到幹擾時，ROS 會(hui) 在細胞內(nei) 快速積聚，導致一種稱為(wei) 氧化應激的情況。文獻中也敘述了氧化應激反應對細菌造成的損傷(shang) ，引起氧化應激反應的其他因素等，這裏主要著重於(yu) 閱讀細菌的氧化應激機製。

3.1 細菌的氧化應激傳(chuan) 感和反應

前人研究較多的轉錄調節因子有：過氧化物響應調節因子 OxyR、PerR 和 OhrR。OxyR 和 PerR 主要是 H₂O₂傳(chuan) 感器，而 OhrR 感測的是有機過氧化物 (ROOH) 和次氯酸鈉(NaOCl)。OxyR 和 OhrR通過其結構中特定半胱氨酸殘基的可逆氧化來感知氧化劑。相反，PerR則是通過組氨酸殘基的鐵催化氧化來感應H₂O₂的濃度變化。

3.1.1 大腸杆菌中的氧化應激機製

被氧化的OxyR蛋白在大腸杆菌中與(yu) RNA聚合酶共同結合，正向調節一組過氧化應激防禦基因，如ahpCF、dps和katG（它們(men) 三個(ge) 的表達也是被H₂O₂誘導的）。機製如下圖所示，

3.1.2 枯草芽孢杆菌中的氧化應激機製

PerR 是一種鐵攝取阻遏物 (Fur) 同源物，在枯草芽孢杆菌中充當誘導型過氧化物應激反應的中央調節劑。PerR 先前已被證明可以調節mrgA、katA、ahpCF、hemAXCDBL和zosA基因。

在Zn²⁺（結構成分）存在的情況下，枯草杆菌的PerR能夠感知細胞內(nei) 的鐵（Fe²⁺）/ 錳（Mn²⁺）的比例。雖然Fe²⁺介導PerR對過氧化物防禦基因的調控，如katA、ahpCF和mrgA（dps的同源物），但在枯草杆菌中PerR的負向自動調控涉及Mn²⁺。盡管枯草杆菌PerR調節過氧化物防禦基因，但PerR的轉錄不受H₂O₂的影響。相反，由H₂O₂壓力引起的PerR蛋白的構象變化有助於(yu) PerR的調節功能。枯草杆菌PerR中兩(liang) 個(ge) 組氨酸殘基（即H37和H91）中的一個(ge) 被H₂O₂氧化，導致Fe²⁺與(yu) PerR解離，去金屬化的PerR不能再與(yu) DNA結合，所以PerR的這些構象變化誘導了基因表達。

3.2 引發細菌氧化應激機製的其他因素

順帶一提，引起氧化應激反應的其他因素有環境因素，如電離輻射、紫外線輻射，高溫（導致高氧化應激）、低溫，使用抗生素等（有抗生素的情況下，氧化應激反應是一種防禦機製）。

參考文獻

[1]J. Bosch et al., Microbial anhydrobiosesis. Environmental Microbiology 23, 6377-6390 (2021).

[2]P. Alpert, The Limits and Frontiers of Desiccation-Tolerant Life1. Integrative and Comparative Biology 45, 685-695 (2005).

[3]T. Grzyb, A. Skłodowska, Introduction to Bacterial Anhydrobiosesis: A General Perspective and the Mechanisms of Desiccation-Associated Damage. Microorganisms 10, 432 (2022).

[4]N. Kashef, M. R. Hamblin, Can microbial cells develop resistance to oxidative stress in antimicrobial photodynamic inactivation? Drug Resistance Updates 31, 31-42 (2017).