1、摘要：一个多世纪以来，土壤细菌所产生的次生代谢物的丰富多样性一直受到人们的重视，而化学分析和基因组测序的进展继续极大地促进了我们对这种生物化学复杂性的理解。然而，我们对细菌代谢物的物理化学性质、控制其产生和生态作用的因素的理解才刚刚开始。种间相互作用和竞争对手感应是影响细菌次生代谢产物产生的主要生物因素。许多土壤细菌同时产生挥发性和可溶性化合物。与可溶化合物相比，挥发性有机物可以很容易地通过土壤中充满空气和气体的孔隙扩散，并可能在长距离微生物相互作用中发挥重要作用。本文综述了土壤细菌产生的最重要的可溶性和挥发性次生代谢物，它们的生态作用，以及它们可能的协同效应。

2、研究动态：(1)细菌产生大量的次生代谢产物，包括可溶的和挥发性的，具有多种重要的生态功能。(2)越来越清楚的是，次生代谢物的产生往往是由土壤细菌之间的种内和种间相互作用引起的。(3)作为空间化学物质的二级或二级化合物，可能比空间化学物质更易挥发。(4)新的分析技术正在改变次生代谢物化学、生理学和生态学的研究。

3、土壤细菌概论：土壤是一个高度复杂、异质和营养有限的环境，由有机基质和液态和气态孔隙组成，具有地球上最高的微生物多样性。根际是附着在植物根系上并受植物根系分泌物影响的狭窄土壤区域，是微生物相互作用和活动的热点。分子系统发育分析表明，土壤和根际每克可含有数千种独特的细菌物种；然而，迄今为止，只有一小部分细菌因其产生生物活性次级代谢物的能力而被培养和研究。基于培养基的研究表明，即使是一个细菌菌株也能产生大量由隐性基因簇编码的次级代谢物，这些代谢物在体外条件下无法转录。次生代谢物不直接参与细菌的生长、发育和繁殖，但在与其他生物的相互作用中可能起着重要的生态作用。细菌的次级代谢产物通过其相应的生物合成途径来源于一些明确定义的化合物类别，但是对于每一种化合物类别来说，构造块、酶机制和裁剪步骤的变化都会导致化学结构的极其多样性。本文综述了土壤细菌产生的可溶和挥发性次生代谢物的主要种类，以及影响这些次生代谢物产生的非生物和生物环境因素。我们强调了种间相互作用和竞争对手感应对挥发性和可溶性次生代谢物的产生的重要性，它们的生态作用，以及挥发性和可溶化合物之间可能的协同作用，这是一个新的、几乎尚未开发的领域。

4、土壤细菌次生代谢产物的主要种类：土壤细菌产生大量的次生代谢产物，具有许多不同的理化和生物学性质。本文将对挥发性有机化合物和可溶性代谢物进行区分。一方面，挥发性有机化合物是属于不同化学类别的小分子（da），可以很容易地通过充满空气和水的孔隙蒸发和扩散。这些理化性质使挥发物成为土壤微生物之间相互合作和竞争的理想代谢物。另一方面，可溶性次生代谢物极性较高，易溶于水。它们的作用距离较短，但由于其高度功能化，通常表现出更强的生物活性，如毒素或抗生素。在这里，我们首先总结了土壤细菌产生的主要次级代谢物的种类，包括可溶化合物和挥发性化合物，并简要介绍了它们的生物合成背景。

5、可溶性化合物：细菌素是细菌通过核糖体合成的抗菌肽。它们对来自同一物种（窄谱）或跨属（广谱）的其他微生物表现出活性。有人假设细菌素的产生是控制竞争细菌在环境生态位中寻找营养和空间的一种策略。因此，据估计，超过99%的细菌至少产生一种细菌素，这可能有助于它们在种群和社区层面影响周围的种群动态。许多细菌素通常由根际和土壤细菌产生，对植物保护具有重要意义。例如，从香蕉根中分离出来的恶臭假单胞菌BW11M1产生了一种能够抑制植物病原菌P.putidaGR12-2R3。其他例子是来自枯草芽孢杆菌14B的细菌素Bac14B，它对冠瘿病的病原体有效，根癌农杆菌，以及来自克劳斯杆菌GM17的BacGM17，它同时具有抗菌和抗真菌活性。非核糖体肽是由具有模块化结构的大型非核糖体肽合成酶（nrposepeptidesynthetases，nrps）合成的，这些酶每链延伸一个模块，含有一个氨基酸。生物合成通过硫模板过程进行，在链组装过程中，生长的肽链与磷酸泛亚乙基化肽基载体蛋白（PCP）结合。每个链的延伸需要腺苷酸（A）结构域的活性来选择、激活和上传氨基酸，而缩合（C）结构域用于肽键的形成。选择性结构域可催化氧化修饰或差向异构，产物释放由末端硫酯酶（TE）结构域来执行，以产生游离酸或环化产物，例如内酰胺。NRPSs产生的两类重要次级代谢产物包括铁载体和脂肽。铁载体是微生物在铁限制条件下产生的低分子量、高亲和力的铁螯合化合物，在铁的溶解、运输和储存中起作用。铁载体的产生可以作为一种拮抗机制，从土壤环境中清除有限的铁，从而减少其他生物可用铁的数量。研究较多的铁载体有假单胞菌的pyoverdines、芽孢杆菌的杆菌素、链霉菌的去铁胺和伯克霍尔德菌的鸟苷。脂肽（LPs）是由脂尾与线性或环状寡肽组成的化合物。脂多糖的结构多样性是由于脂肪酸尾部的长度、组成以及肽段中氨基酸的数量、类型和结构的差异造成的，这些化合物具有表面活性剂、抗菌剂、抗凝血和细胞毒性特性。

聚酮类化合物是许多细菌产生的一大类次级代谢产物，如放线杆菌、假单胞菌、粘球菌、芽孢杆菌和伯克霍尔德菌。它们是由多域酶或酶复合物家族中的聚酮合成酶（PKSs）合成的。聚酮生物合成的一般机制与脂肪酸生物合成有很大的相似性，但在扩链过程中允许构建基块和（还原性）修饰具有更大的可变性，从而不仅导致简单的，通常是不支链和完全还原的烷基链，而且是高度功能化的分子。聚酮生物合成也是一个基于硫模板的过程，其中生长的酰基链与酰基载体蛋白（ACP）结合。酰基转移酶（AT）域选择起始单位和延伸单位，并将它们上传到ACPs。在每个链延伸中，酮合酶（KS）催化下一个延伸单元与迄今为止组装的酰基链的缩合，而酮还原酶（KR）、脱水酶（DH）和烯醇还原酶（ER）结构域是选择性还原修饰所必需的。末端TE结构域负责产物的释放，通常是在游离酸或内酯形成的情况下。PKS目前分为三大类。I型PKSs由大的多结构域蛋白质组成，在聚酮链组装中，每次连续缩合反应（模块化PKSs）或通过迭代使用一组相同的结构域（迭代PKSs）产生聚酮醚。抗生素红霉素是I型PKSs的范例，在感染性疾病的治疗中起着重要作用。II型蛋白激酶由用于形成芳香族聚酮类化合物的单个蛋白质组成。放线菌素和阿霉素（癌症化疗药物）和四环素（抗生素）是由II型PKS生物合成途径合成的产物。III型蛋白激酶参与细菌中多羟基酚类化合物的合成，如假单胞菌属产生的2,4-二乙酰基氯葡糖醇（2,4-DAPG）。PKS–NRPS杂化化合物。PKSs和nrps在结构和功能上的显著相似性允许形成包含两类元素的簇。这些混合NRPS-PKS簇可以为微生物产生的潜在次级代谢物提供更多的多样性。从大量革兰氏阳性和革兰氏阴性土壤细菌中分离出NRPS-PKS混合代谢产物。重要的例子有吸水链霉菌的免疫抑制剂雷帕霉素、真菌内共生菌伯克霍尔德菌根瘤菌、其他土壤微生物中也存在的根瘤菌素和用于癌症治疗的粘液细菌Sorangiumcellusoum的epothilone。

6、挥发性化合物：萜烯来源于萜烯生成单元二甲基烯丙基焦磷酸和焦磷酸异戊烯基，它们既可以来自甲戊酸途径，也可以来自脱氧果糖磷酸途径。这些化合物最为人所知的是植物代谢物，但最近的研究表明，萜烯在整个生命树中都会产生，包括原核生物、真菌和社会变形虫。虽然细菌来源的萜烯已知已有一个多世纪了，但其生物学和生态作用仍不清楚。即使是土壤细菌释放的最著名的萜烯geosmin，迄今为止还没有生物功能的报道。从玉米种子中分离出的一种有香味的白化链霉菌能够产生一种新的倍半萜，命名为albaflavenone，具有抗菌特性。最近，还从其他链霉菌种和真菌中分离出了阿尔巴黄素酮。虽然链霉菌无疑是研究细菌萜烯产量最好的一个属，但最近的研究也包括土壤细菌的其他分类群。比较基因组学分析表明，两株草地早熟禾菌株含有萜烯合成酶基因。在大肠杆菌中异源表达和生化特性鉴定后，可以证明这些基因负责产生倍半萜混合物，其中吉马克林D-4-ol是主要化合物。对在草地早熟禾菌株Ter91顶空中检测到的4种单萜类化合物（g-松油烯、/-蒎烯、b-蒎烯和b-月桂烯）分别进行了抗菌活性测试。b-蒎烯对金黄色葡萄球菌和丝核菌表现出抑制作用，此外，所有四种单萜混合物都显示出对大肠杆菌的抑制作用。氮化合物在许多土壤细菌中分布最广的氮化合物是吡嗪，而吲哚是一种重要的信号分子。其他报告的类别包括吡咯、噻唑、吡啶和苯胺衍生物。吡嗪（1,4-二氮杂苯）是挥发性有机化合物，以其抗菌活性而闻名。吡嗪的产生在植物中广泛分布，但到目前为止，只有少数几种细菌能够合成吡嗪，包括假单胞菌、芽孢杆菌、软骨菌和链霉菌。在细菌中发现了两种不同的合成吡嗪的途径。谷氨酸棒杆菌的途径需要乙酰乳酸合酶的活性，并通过乙酰乳酸及其更高的同系物进行。相比之下，在粘细菌中，吡嗪类化合物通过还原为缬氨酸和二聚体从支链氨基酸（如缬氨酸）中产生。

吲哚由色氨酸和色氨酸酶由革兰阳性菌和革兰氏阴性菌合成。吲哚及其衍生物能够抑制群体感应和毒力因子的产生，从而抑制几种抗生素耐药病原体的细菌致病性。此外，吲哚是众所周知的信号分子，调节孢子形成、质粒稳定性、细胞分裂、抗生素耐受性和生物膜形成，并控制植物防御系统、生长和根系发育。众所周知，吲哚是细菌体内一种稳定的化合物。然而，许多非吲哚产生菌能够利用不同的加氧酶修饰或降解吲哚，例如单加氧酶、双加氧酶和P家族成员。吲哚衍生物在许多微生物群落中含量丰富，但对其生物学作用和作用机制知之甚少。含硫挥发物挥发性硫化合物和烷基硫化物具有较大的结构多样性，包括相对较小的化合物，如二甲基硫醚（DMS）、二甲基二硫醚（DMDS）和二甲基三硫化物（DMTS），更复杂的挥发物，如细菌中来源于同型半胱氨酸的2-甲基四氢噻吩-3-酮。挥发性微生物硫化合物在植物-微生物和种间微生物-微生物相互作用中起着重要作用。DMDS被鉴定为群体感应抑制化合物，也有报道称其能刺激细菌生长并完全抑制真菌生长。

7、土壤细菌次生代谢产物产生的影响因素：细菌次级代谢产物的产生受多种环境因素的影响，如营养、温度、pH、湿度和光照。通常，当细菌生长受到碳、氮、磷或其他关键营养源的限制时，次生代谢物的产生就会被触发。营养成分和浓度影响全球基因调控的复杂机制，反映了在自然界中触发不同次级代谢物产生的各种条件。高浓度的葡萄糖、磷酸盐或铵通常会抑制次级代谢，但这并不是普遍存在的；例如，高浓度的磷酸盐也可以诱导产生特定的次级代谢物。次生代谢物产生的触发因素多种多样，在天然产物发现策略中得到了充分利用。OSMAC（一个菌株多个化合物）方法是基于在不同条件下培养一个细菌菌株。例如，在培养过程中添加低浓度的稀土元素，如钪和/或镧，增强了链霉菌中的几个次级代谢产物生物合成基因簇，甚至激活了其他沉默的生物合成基因簇，包括链霉菌中用于放线菌素生物合成的基因簇。虽然人们对不同营养物质和非生物条件对次生代谢物产生的影响进行了大量的研究，但仅在最近几年才引起了对生物相互作用（如种间竞争）的研究。在土壤中，尤其是根际，微生物群落参与了复杂而密切的相互作用，可能会显著影响次生代谢物的产生。最近，可以证明，在碳限制条件下生长的土壤细菌在受到其他细菌物种的挑战时，可以特异性地触发产生广谱抗生素。详细的转录组分析表明，土壤细菌可以区分不同的细菌竞争对手，并微调其竞争策略。土壤细菌萤光假单胞菌Pf0-1的行为和转录反应表明，当遇到进化上不同的细菌物种时，它们会产生独特的反应。特别是，参与信号转导和抗生素生产的基因的表达受到相互作用菌株的特性的强烈影响。

土壤细菌产生专门的代谢物是它们与邻近的其他微生物相互作用的直接结果。土壤和根际细菌的基因组包含大量的隐性基因簇，编码与次级代谢物产生有关的酶，而这些酶在典型的实验室条件下不表达。虽然有很多关于“唤醒”睡眠基因簇的报道，其中许多涉及到基因干预或营养挑战，但竞争微生物的作用仅在最近的几项研究中得到了解决。使用最新开发的纳米技术和MALDI–TOF成像质谱，能够非常详细地分析模型放线菌StreptomycescoelicolorA3（2）在与其他放线菌相互作用过程中诱导产生次级代谢产物。物种间的相互作用导致许多次生代谢物的产生，而这些代谢物并不是由单株培养出来的，大多数化合物是相互作用特异的，只在五种成对相互作用中出现一种。在蓝斑链霉菌（Streptomyceslividans）中，由于与产生霉酸的细菌（包括肺恙虫病、红球菌和谷氨酸棒状杆菌）的相互作用，产生了红色素（神童素和放线菌的混合物）。与不同细菌的相互作用，如芽孢杆菌、粘球菌和沙雷氏菌，可以通过未知的机制诱导蓝色蓝藻产生放线菌素。黑链霉菌与肺恙虫共培养产生链霉菌（一系列结构相关的抗菌螺环）的诱导因子也是未知的，但这项研究令人印象深刻地表明，共培养可以获得以前未知的化合物。最近提出的细菌竞争行为可以通过竞争来改变细菌的竞争行为。有趣的是，来自同一地点的链霉菌比从不同土壤中分离出来的链霉菌更有效地相互抑制，这表明这些相互作用是局部适应的结果。此外，具有相似碳源利用模式的同域链霉菌倾向于更强烈地相互抑制，这与竞争感应一致。刺激或抑制抗生素产生的相互作用比例很大（35%）。对种系统发育多样的土壤细菌进行高通量筛选后发现，种间相互作用可通过诱导和抑制抗菌化合物的产生对抗菌化合物的产生产生产生重大影响。在所有筛选出的菌株中，33%的菌株在单一培养条件下表现出抗菌活性，而42%的菌株仅在与其他物种的相互作用中表现出抗菌活性。

研究土壤细菌之间相互作用的大多数研究都集中在可溶性抗菌化合物的产生上；然而，最近的研究表明，这种相互作用也会显著影响挥发性细菌的排放。与可溶化合物相比，根际微生物相互作用过程中释放的挥发物可对营养缺乏的大块土壤中的周围非活性微生物群落产生远距离影响。最近的研究表明，微生物挥发物在微生物群落的长距离相互作用中起着两个主要作用：作为影响微生物行为、种群动态和基因表达的信息化学分子，作为抗菌剂，通过抑制或消除潜在的敌人提供生态优势。在荧光假单胞菌Pf0-1中，由早熟禾产生的挥发物可以触发次生抗菌代谢物的产生。在铜绿假单胞菌与产气肠杆菌（挥发性2,3-丁二醇的产生者）共培养过程中，还观察到微生物相互作用中挥发物触发的可溶性抗生素的产生。对于紫罗兰色杆菌和铜绿假单胞菌来说，一些单萜类增加了紫罗兰素和绿脓杆菌素的产量。重要的是，一些研究已经报道挥发物可以改变抗生素细菌的耐药性或耐受性。例如，将大肠杆菌暴露于环境伯克霍尔德菌（Burkholderiaambifaria）释放的挥发物会增加其对庆大霉素和卡那霉素的耐药性，而接触挥发性化合物三甲胺（TMA）会改变数种革兰氏阴性菌和革兰氏阴性菌（包括重要的人类病原体）的抗生素耐药谱。单萜/蒎烯可作为空肠弯曲菌耐药性的调节因子。原生生物是土壤中细菌的主要捕食者，当它们通过细菌形态差异和可溶性化合物直接接触时，可以识别猎物的质量。最近，SchulzBohm等人，揭示了挥发物可以在物种特定的细菌-原生生物相互作用中发挥重要作用，萜烯是使原生生物能够感知合适的猎物细菌的信息化合物之一。有趣的是，观察到的挥发物对原生动物活动的刺激与直接营养相互作用分析相一致，表明挥发物可能是信号。

8、细菌次生代谢产物的生态作用：据推测，一些次级代谢产物，特别是微生物产生的挥发性化合物，是初级代谢的代谢产物，有时具有巧合的活性。然而，这一观点并没有得到很好的支持，因为绝大多数次生代谢物在其生态环境中表现出与生产有机体相关的生物活性。如果次级代谢物仅仅是初级代谢的副产物，那么如何解释哪怕是单个菌株产生的、受不同基因簇调控的化合物的巨大多样性，以及为细胞带来的昂贵投资？一些研究表明，土壤细菌产生的次生代谢物可以作为微生物战的武器，在同一生态位上与其他微生物竞争对手竞争时，为生产菌株提供了优势。这方面的一个很好的例子是利用有益于植物的土壤细菌的抗菌化合物抑制土传植物病原体。这项观察表明，杀死或抑制微生物竞争对手生长的能力在进化上有利于产生抗生素的微生物，而不是抗生素敏感的微生物。这也得到了土壤细菌普遍存在抗生素耐药性的观察结果的支持。具有抗菌活性的次级代谢物可在捕食或抵御捕食者方面发挥重要作用。敲除捕食性土壤细菌苍耳粘球菌中与抗生素产生有关的基因，会导致猎物细胞的生长速度下降。亚抑制浓度的抗菌化合物可能在种间和种内相互作用中充当信号分子，影响多种细胞功能，如细胞发育、生物膜形成、运动性、毒性和营养物质的使用。对模式生物枯草芽孢杆菌（Bacillanesubtilis）的研究表明，杆菌烯和表面蛋白在细胞发育中起着重要的信号分子作用，但也抑制了系统进化中的远缘物种蓝斑链霉菌（Streptomycescoelicolor）的气生菌丝发育和孢子形成。据报道，抗生素在缺乏营养的条件下可以作为促进细菌生长的营养源；然而，这些发现是有争议的，因为它们不能被另一组复制。具有抗菌活性的次级代谢物的另一个潜在的重要生态作用是刺激孢子形成。许多细菌与其他有机体处于共生关系中，它们通过提供次生代谢物来保护或刺激宿主，并接受营养物质作为回报。例如，一系列促进植物生长的根际细菌（PGPR）能够在没有实际物理接触的情况下释放复杂的挥发物混合物，从而显著改变植物的根系发育，增加植物生物量。此外，植物暴露于细菌挥发物或诱导ISR（诱导系统抗性）可增强对病原体的抗性，此外，暴露于微生物挥发物可减少病原真菌的生长。另一个有趣而及时的话题是与土壤昆虫相关的细菌，它们产生大量具有不同化学结构的次生代谢物，其中许多代谢物在保护宿主免受感染方面起着重要作用；这个话题最近已经被回顾过了，这里将不再广泛讨论。到目前为止，对于抗生素产生的生态作用和进化力还没有达成共识。综上所述，我们可以认为抗生素是生物活性次级代谢产物，除了作为微生物战剂外，还有许多功能。

9、结语与展望：尽管已经发现了相当一部分细菌的次生代谢物，但对于土壤细菌为什么、何时、何地产生次生代谢物仍知之甚少（见悬而未决的问题）。造成这种知识差距的一个主要因素是，大多数研究都集中在土壤放线菌上，尽管放线菌是一个高度多样和有趣的群体，但它只代表了系统发育和生态微生物多样性的一小部分。更普遍地说，在实验室实验中，很难模拟可能驱动次级代谢物产生的各种不同和不断变化的环境条件。细菌代谢物的成功分离和结构鉴定关键取决于提取和纯化方案，而高活性天然产物的低浓度或化学不稳定性往往阻碍了这一过程。基因组学、质谱和成像技术的新发展为这些限制提供了解决方案，允许直接的代谢物分析，即使是在单个细胞水平上。值得注意的是，大多数研究都集中在挥发性或可溶性化合物上，而忽略了这些化合物通常是同时产生的，有时是由同一个生物合成基因簇（例如，杀菌抗霉素和挥发性芽生霉素）。挥发性和非挥发性代谢组学的这种划分至少部分是由于研究它们所需的不同技术（LC-MS用于可溶化合物，GC-MS用于挥发性化合物）。此外，样品制备是一个重要的问题，因为挥发物很容易在培养物提取后的溶剂蒸发步骤中丢失，并且需要专门的捕获技术。新的可用技术可能有助于突破原位检测和识别多种代谢物的界限，并更好地理解复杂多物种群落中发生的代谢相互作用。细菌通常不被挥发性化合物直接抑制；然而，挥发物可以与可溶性抗菌剂产生协同作用。例如，亲水性抗生素，如万古霉素和β-内酰胺类，对革兰氏阴性菌的抑制作用很小，当用挥发性苯丙素丁香酚预处理暴露的菌株时，其抗菌活性增强。由于其亲油性，挥发物可能干扰膜结构，导致细胞膜去极化，从而对极性更强的抗生素具有更高的敏感性。与积累在产生细胞周围的可溶化合物相比，挥发物可以很容易地通过土壤中充满空气和气体的孔隙扩散，并在远距离微生物相互作用中发挥作用。当土壤湿度降低，空气中的孔隙增多时，挥发性有机化合物在土壤细菌之间的相互作用中更为重要，这一点似乎还没有得到任何实验上的注意。细菌挥发性化合物作为环境友好的气态生物肥料和有害杀虫剂的替代品，为可持续的作物保护提供了巨大的潜力。例如，二甲基二硫醚，一种经常由细菌释放的挥发性物质，被用作一种新型的土壤熏蒸剂PALADIN?来对抗线虫和土传病原体。然而，细菌挥发物及其与可溶物结合在农业上的应用研究尚处于起步阶段。

图细菌次生代谢物在自然界中可能不同生态作用的示意图。符号缩写偏差：黄色方形，具有抗菌特性的次级代谢物可抑制生长；紫色方形，具有促进植物生长特性的次级代谢物；红色圆形，负责通信和多样化的信号分子