【关于细菌生物膜的研究国内外文献综述5100字】

关于细菌生物膜的研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u26030关于细菌生物膜的研究国内外文献综述 1199331.1细菌生物膜的定义 1266181.2细菌生物膜的组成成分 1201811.3生物膜的功能 1130831.4细菌生物膜与定殖研究 321110参考文献 61.1细菌生物膜的定义细菌生物膜（bacterialbiofilm，BBF）是一类或多几类细菌和由其分泌物胞外多糖、脂类、蛋白质等包裹的，高度系统化的特殊膜状结构或者聚集体[43-44]；被定义为胞外聚合物和界面下细菌细胞的功能联合体[45]。成熟的生物膜是不可逆的，且表形特殊[46]，其最主要的特征即是它比浮游态细菌更具抗性[47]。1.2细菌生物膜的组成成分生物膜的组成较为复杂，其含量最多的是水，除此之外，细菌还分泌由糖类、蛋白、核酸、磷脂和肽聚糖等组成的大分子多聚物，尤其是糖类和蛋白占比最大[48-50]。近年来，细菌分泌或者裂解释放的DNA、RNA等物质越来越受到关注。这些生物分子聚合在一起形成支架将生物膜固定，对于生物膜的稳定性起到重要作用[51]。其中胞外多糖（EPS）是构成生物膜的基本骨架结构，占生物膜干重的90%左右，为生物膜的主要组成部分。铜绿假单胞菌的生物膜基质中，含有一定数量的胞外DNA，用于维持生物膜的强度[52]。通过研究吡啶的降解性能及生物膜形成过程，发现多糖可以使细菌聚集成团而形成结构致密的生物膜[53]。施氏假单胞菌（P.stutzeri）XL-2中蛋白质和TB-EPS（TightlyBoundEPS）是构成EPS的主要组分部分，而TB-EPS中蛋白质和多糖对聚集成膜的贡献率分别为69.2%和29.0%。因此，TB-EPS的蛋白可能是影响施氏假单胞菌XL-2生物膜形成的重要因素[54]。1.3生物膜的功能1.3.1生物膜在细菌抗逆中的功能生物膜因对环境的敏感度低，而表现出较高的抗逆性[55]。生物膜帮助有益微生物在酸碱、干旱、毒性、氧化盐、重金属、抗生素等不利环境下生存。阿氏丝孢酵母菌（Trichosporonasahii）生物膜除了具有抵抗真菌药物的作用，同时可以提高抵抗宿主逆境的生存优势，如抗氧化、抗酸碱及重金属等逆境[56]。生防酵母菌P.cecembensis和P.kudriavzevii在转变为生物膜形态后，表现出比单细胞更高的抗逆，抗氧化酶（Catalase）、超氧化物歧化酶（SuperOxideDismutase）和谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathioneperoxidase）的活性[57]。辣椒溶杆菌（Lysobactercapsica）X2-3表现出对SDS和紫外线的抗性，且对禾谷镰刀菌（Fusariumgraminearum）、黄瓜枯萎病菌(F.oxysporum)、群结腐霉菌（pythiummyriotylum）和烟草黑胫病菌(Phytophthoraparasitica)等多种植物病原真菌具有明显的拮抗活性[58]。固氮施氏假单胞菌A1501的生物膜可以抵制0.6mol/L的NaCl、pH值6.0及温度40℃的胁迫条件[59]。芽胞杆菌（B.velezensis）B9和B25形成生物膜，可以阻控蔬菜吸收Cd、Pb，提高根际土壤多糖含量和脲酶活性，具有修复Cd、Pb污染土壤、实现蔬菜安全生产的潜力[60]。1.3.2生物膜在细菌致病性中的功能生物膜，是病原细菌致病性的庇护伞，是其在环境中持久存在的重要原因。在临床工作中发现，即便分离出致病菌，并且加强了抗生素治疗，但感染仍不能根除[61]。杀鱼爱德华氏菌（Edwardsiellapiscicida）生物膜保护致病菌在高温、氧化、酸性和宿主血清条件不受影响，并促进阻断宿主免疫反应[62]。迟缓爱德华菌（E.tarda）ET13广泛存在于人类、其他哺乳动物和鱼类的细菌性病害，通过基因敲除与回补的方式发现，生物膜形成、粘附与其致病性相关联，及在生物膜存在的情况下增强了其对鱼的致病性[63]。生物膜对致病菌的致病非常重要，但作用方式不尽相同。主要表现在生物膜可以阻止抗生素渗入、分泌抗生素降解酶、对抗生素不敏感、阻止毒力因子和耐药基因的排出、抗吞噬、使适应性免疫功能受限制或者帮助致病菌逃避宿主免疫系统的攻击等[64-67]。1.3.3生物膜在细菌生防和促生中的功能有益微生物利用生物膜，更利于发挥生防和促生功能，在很多细菌中都得到验证。生物膜是根际促生菌(Plantgrowthpromotingrhizobacteria，PGPR)长期适应下得以存在的形式，可占领生态位定殖，抵御所处不良环境的压力，为PGPR防治植物病害提供重要条件。一些菌株固氮和形成生物膜，从而起到抗病和促生的功能；另外一部分细菌生物膜分泌出次级代谢产物如脂肽类抗生素等，可以有效抑制病原菌的生长。肺炎克雷伯菌SnebYK因固氮、产生植物激素和形成生物膜，从而显著促进大豆幼苗的生长[68]。多粘类芽胞杆菌WLY78形成的生物膜对由黑曲霉（Aspergillusniger）引起的冠腐病具有良好防效[69]。多粘芽胞杆菌HY96-2的LuxS基因可以促进生物膜的形成，并进而提高它对番茄青枯病的防效；该菌亦可以在发病前期通过诱导JA/ET、SA途径来提高植物自身的抗病性[70]。瓦雷兹芽胞杆菌Y6和F7分泌对青枯劳尔氏菌和尖孢镰刀菌具有拮抗活性的伊枯草素和泛革素，而青枯病菌反过来会刺激细菌分泌抗生素[71]。再者，枯草芽胞杆菌916的细菌生物膜与表面活性素协作参与水稻纹枯病的防治[72]。解淀粉芽胞杆菌SQR9处理黄瓜后，可以诱导黄瓜根系分泌D-半乳糖；同时通过构建芬荠素（fengcycin）､杆菌霉素D（bacillomycinD）、表面活性素（surfactin）、大环内酯抗生素（macrolactin）等突变体菌株，发现SQR9的这些激发子防御信号途径不同，可以防治的病原菌亦不同[73]。从240种细菌中筛选出1株生物膜形成能力最强的枯草芽胞杆菌g6和1株生物膜形成能力最低的枯草芽胞杆菌A48；温室条件下发现，生物膜形成能力越强，其防治镰刀菌枯萎病的效果越好，反之亦然[74]。枯草芽胞杆菌可以通过加强植物组织的木质化，增强细胞结构强度以及产生植保素等过程直接促进植物的生长[75]；从水稻根际分离得到的固氮施氏假单胞菌A1501，具有趋化、生物膜形成、促生等能力，通过rsmA、rsmZ、algU、pslA、sadC以及bcsA基因的突变验证，证明固氮菌可以通过调控生物膜的形成实现根表有效定殖[76]。枯草芽胞杆菌Bs916中的gltB、fliZ和serA基因调控生物膜的形成，同时能产生杆菌霉素L、表面活性素和泛革素3种脂类抗生素，在有效防控水稻纹枯病同时能够提高水稻产量[77]。1.4细菌生物膜与定殖研究1.4.1生防细菌在植物上的定殖研究植物－微生物相互作用的前提是微生物能够在植物根系和叶际的表面或内部定殖，随后进行生命代谢活动[78]。因此，有益微生物能发挥其生防和促生功能的关键是其能在植物上有效定殖[79]。随着分子生物学水平的日益发展，以及借助显微工具，学者用实时、原位的方法观察免疫标记或荧光原位杂交菌株（GFP或gusA标记）在植物内的定殖，从而这方面的研究越来越深入。尤其是有益微生物的定殖越来越受到科研工作者的青睐，其中根际促生细菌研究最多。根际促生细菌定殖是一个动态变化的过程，先是通过其分泌物去招募根际附近的细菌；其次，细菌在根系周围进行稳定有序的繁殖壮大，产生成细菌群体效应；随后生防菌竞争生态位点并粘附于根系表面；最后微生物在根系发生有效定殖[80-81]。这是一个复杂的过程，涉及细菌性状与植物反应的相互作用[82]。植物和生防细菌共同建立特异性的分子信号联系，这种联系因植物而异[83]。有研究表明，根际细菌的定殖能力与生物被膜的形成有关[84]。吡咯伯克霍尔德氏菌JK-SH007所产嗜铁素和C8−HSL不仅促进该菌在杨树内定殖，而且对引起杨树溃疡病的金黄壳囊孢、拟茎点霉和七叶树壳梭孢三种病原菌具有较强的拮抗作用，同时具有显著的促生功能[85-86]。将多粘芽胞杆菌WLY78用GFP基因标记，分别接种小麦，黄瓜和玉米幼苗；通过CLSM观察发现，WLY78主要定殖于小麦的根表面和表皮，玉米和黄瓜则定殖至于根表面、茎、叶内部的细胞间隙和维管系统中；实验还发现生防菌可以从根迁移到玉米和黄瓜的茎和叶[69]。菌株S377具有产生物被膜的能力，可以在棉花根部定殖并进行大量繁殖，说明菌株具有定殖的能力[87]。枯草芽胞杆菌NCD2和假单胞菌FD6是可以产生抗菌代谢产物的PGPR。研究发现，FD6在小麦根系、根际土壤和大块（非根际）土壤的定殖作用明显大于NCD-2；菌株FD6对立枯丝核菌、不规则腐霉和革兰氏假单胞菌等病原菌的具有显著抗性，同时显著降低了根际小麦纹枯病菌（R.solaniag）AG-8的丰度，与对照相比减低了13倍，说明PGPR的根际定殖可以提高植物抗性、提高作物产量[88]。同样，生防菌到达叶际后，需适应叶际的极端环境，如寡营养、高辐射、低水分等，并且与其他微生物及植物自身相互竞争，优胜劣汰，形成有效定殖。荧光显微镜下发现，微生物主要定殖在叶片的角质层、气孔、毛状体、表皮细胞壁、表皮细胞间隙处（如图1-1所示）[30,89-90]。或许因为其薄的角质层和高密度的气孔的关系，叶片背部表现更加明显[91]。生防细菌是否定殖成功，需要达到种群数量、时间、竞争位点和环境的要求[92]。褐球固氮菌Ac63能在全红苋菜叶际定殖，但在小白菜的叶际未发现Ac63细菌，说明Ac63具有选择不同作物定殖的特性，而且该菌具有良好固氮效果[93]。以特基拉芽胞杆菌（B.tequilensis）EA-CB0015为基础的产品可以保护香蕉植株抵抗Pseudocercosporafijiensis侵染，其主要原因是细菌在香蕉植株叶面定殖并产生脂肽[94]。图1-1叶际微生物的活染色显示图[91]Fig1-1Phyllospheremicroorganismsrevealedbylivestaining[91]1.4.2影响生防菌定殖的因素细菌的定殖是一个复杂的过程，影响因素也多种多样，具体可分为生物和非生物因素两大类。生物因素包括生防菌自身生理特性[95-96]、宿主对根/叶际微生物的需要[97-98]、寄主类型[12,99]、根/叶际分泌物（糖、氨基酸、有机酸、脂肪酸、甾醇类、维生素、酶、核酸、酮类、醛类、植物激素以及其他物质）[100-101]和生物膜形成能力[102-105]、根/叶际微生物[106-107]。非生物因素对于根际微生物来说，包括栖息环境､含水量､pH值､温度､质地､营养情况等[108-112]，而叶际主要影响因素为光照和湿度[113]。根际定殖包括对感受根的信号、向根趋化游动、形成生物膜等一系列的行为组合，每种行为的产生都有相应的影响因素[70]。1989年JUHNKE首次报道趋化性和鞭毛运动性对固氮螺菌属在小麦根部定殖中的重要性[114]；随后Shelud也证明了鞭毛的运动性有助于细菌定殖[115]。海岛棉的根系分泌物可以促进枯草芽胞杆菌生物膜的形成，而中植棉根系分泌物则影响不大。从棉花根系分泌物中分离的13种氨基酸和6种糖分中，只有脯氨酸和葡聚糖对枯草芽胞杆菌的生物膜形成有显著促进作用[116]。前人提出，在增加湿度和光照的情况下，可提高作物光合作用，促进其代谢产物分泌，从而刺激外来微生物的定殖[113]。沈怡斐等发现外源组氨酸、苯丙氨酸和精氨酸可以明显促进芽胞杆菌SQR-21的定殖，进一步验证芽胞杆菌对氨基酸的趋化作用[117]。除水分外，光照强度、温度等小气候也是对固氮微生物的固氮速率有影响的因素之一，虽然影响不及水分大[118]。另有研究发现，夏季干旱时麻栎树会显著提高其叶际微生物的种群数量和微生物的丰度，推测干旱条件可能是影响麻栎叶际固氮菌的条件之一[119]。枯草芽胞杆菌1JN2在Cd2+含量低时，其定殖和生物膜的形成没有收到影响，而当Cd2+含量为3mM或者更高时，则1JN2的生长、定殖和生物膜形成都收到严重影响，对番茄青枯病和黄萎病的防效也会降低[120]。1.4.3生物膜是生防菌定殖的重要前提在生防菌的开发应用中，生物膜的形成是生防菌在自然条件下生存下来的根本策略[121]。生物膜保护生防菌不受环境中的营养、水分、抗生素等的胁迫。当植物所处环境发生改变时，生防菌形成生物膜，附着在根和叶的表面，从而保证生防细菌发挥功效[122]，这也是评价生防细菌功效的重要前提；生防菌利用生物膜建立种群，进而控制植物病害和促进作物生长[123]。通过生物学手段获取枯草芽胞杆菌NCD-2ywbB基因的缺失突变株NCD-2(ΔywbB)，实验发现突变株不能形成生物膜；同时也发现，该突变株明显降低了NCD-2的根际群体数量，削弱了立枯病的防效。实验证明，编码ywbB是该枯草芽胞杆菌生物膜形成过程中的重要基因，且生物膜形成与生防菌的定殖呈正相关[124]。研究还发现，多粘类芽胞杆菌(P.polymyxa)中生物膜形成能力好的菌株，更利于其在花生根中定殖，且诱导花生对褐腐病产生防效[100]。参考文献[1]LastFT.SeasonalincidenceofSporobolomycesoncerealleaves[J].TransactionsoftheBritishMycologicalSociety,1955,38(3):221.[2]RuinenJ.Thephyllosphere[J].PlantandSoil,1965,22(2):375.[3]BlackemanJP.Microbialecologyofthephylloplane[M].London:AcademicPress,1981.[4]StevenELandMariaTB.Microbiologyofthephyllosphere[J].AppliedAndEnvironmentalMicrobiology.2003,69,1875-1883.[5]MonierJMandLindowSE.Frequency,sizeandlocalizationofbacterialaggregatesonbeanleafsurfaces[J].Appliedandenvironmentalmicrobiology,2004,70(1):346-355.[6]MorrisCE,BarnesMB,McleanRJC.Biofilmsonleafsurfaces:implicationsforthebiology,ecologyandmanagementofpopulationsofepiphyticbacteria[M].Minneapolis:PhyllosphereMicrobiology,2002.[7]MitjaNPRE,RobinT,GeorgeAK,etal.Variationinlocalcarryingcapacityandtheindividualfateofbacterialcolonizersinthephyllosphere[J].TheMultidisciplinary

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