近日，国际著名生物学综合性期刊《eLife》正式刊出了资环学院沈其荣院士团队张瑞福教授课题组的最新研究成果“A toxin-mediated policing system in Bacillusoptimizes division of labor via penalizing cheater-like nonproducers”。

如同人类社会一样，微生物群体内部具有明确而细致的劳动分工，不同的细胞亚群负责执行不同的任务且彼此相互合作。产生并共享“公共物品（public goods）”是微生物维持群体稳定的关键因素，但是微生物群体中会出现不产生但只利用群体“公共物品”的“欺骗者（cheater）”，不劳而获的“欺骗者”由于不需要额外耗能生产“公共物品”而在群体中具有生长优势，如果“欺骗者”逐渐增多，将导致群体崩溃。所以，微生物群体发展出惩罚“欺骗者”的机制以维护群体稳定。

微生物肥料菌种芽孢杆菌SQR9能通过非核糖体途径合成新型抗菌物质bacillunoic acids（BAs），且BAs对同种芽孢杆菌具有拮抗活性，菌株SQR9通过编码一个特异的ABC转运蛋白实现自身对BAs的免疫，而且该转运蛋白受到BAs的诱导表达（Wang et al., Environmental Microbiology，2019）。本研究发现菌株SQR9在形成多细胞的生物被膜时存在劳动分工，细胞分化为合成群体“公共物品”（胞外基质）的细胞亚群（合作者）和不合成“公共物品”的细胞亚群（欺骗者）。“公共物品”（胞外基质）和BAs的合成受到同一个调控蛋白Spo0A磷酸化的调控，群体中不产生“公共物品”的“欺骗者”也不能合成BAs，发挥BA免疫作用的特异转运蛋白也不能被诱导表达，“欺骗者”就会被群体中“合作者”产生的BAs杀死，从而达到了惩罚“欺骗者”、维持群体稳定的目的。该惩罚系统不仅有助于消除群体中不合成胞外基质的“欺骗者”，也提高了其他公共物质如蛋白酶和铁载体的产量，从而提高了群体在逆境条件下和根际的定殖稳定性及生态适应性。本研究揭示了微生物群体协调分工和维持稳定的新机制，也为提高微生物肥料的生态稳定性提供了理论支持。

博士生黄蓉为论文第一作者，张楠教授和张瑞福教授为共同通讯作者，沈其荣院士、邵佳慧老师、徐志辉副教授、荀卫兵副教授参与了该项研究。本研究得到国家自然科学基金等项目的资助。

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