劉郵洲　沈佳慧　喬俊卿　左楊　劉永鋒

摘要： 嗜鐵素（Siderophore）是微生物為適應(yīng)自然界高氧低鐵環(huán)境，產(chǎn)生的一類(lèi)能特異性螯合三價(jià)鐵離子的小分子化合物。絕大多數(shù)細(xì)菌和真菌都能通過(guò)非核糖體肽合成酶途徑（NRPS）或非依賴(lài)NRPS途徑（NIS）合成一種或幾種嗜鐵素。芽孢桿菌是目前研究與生產(chǎn)上應(yīng)用最多的一類(lèi)生防細(xì)菌，但芽孢桿菌嗜鐵素的生防貢獻(xiàn)國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。本文對(duì)芽孢桿菌嗜鐵素的種類(lèi)、合成與調(diào)控機(jī)制、功能與應(yīng)用（包括競(jìng)爭(zhēng)作用、抗生作用、毒力作用、環(huán)境污染修復(fù)作用以及在醫(yī)藥研發(fā)上的應(yīng)用等）進(jìn)行了系統(tǒng)概述，為解析自然界中芽孢桿菌具有廣譜抗菌活性的生防機(jī)制提供理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)研發(fā)嗜鐵素和藥物偶聯(lián)的新型靶向農(nóng)藥具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 芽孢桿菌；嗜鐵素；嗜鐵素藥物耦合物

中圖分類(lèi)號(hào)： S482.3⁺9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1000-4440（2023）01-0266-11

Research progress of siderophore produced by Bacillus spp.

LIU You-zhou， SHEN Jia-hui， QIAO Jun-qing， ZUO Yang， LIU Yong-feng

（Institute of Plant Protection， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China）

Abstract： Iron is an essential element for the growth of almost all living microorganisms because it acts as a cofactor in enzymatic processes， oxygen metabolism， electron transfer， and RNA syntheses. Although iron is abundant in the earths crust， it exists primarily as insoluble hydroxides in aerobic aqueous solution， making its acquisition difficult for microorganisms. To overcome this challenge， many microorganisms secrete low molecular weight iron chelators called siderophores. Most bacteria and fungi can synthesize one or more siderophores through nonribosomal peptide synthetases （NRPS） pathway or NRPS-independent siderophore （NIS） pathway. Bacillus spp. is considered the most successful biological control agent. However， there are few reports on the research of siderophore produced by Bacillus spp. In this paper， the types， biosynthesis and regulation mechanisms， functions and applications of siderophore produced by Bacillus spp. were systematically summarized， including competition， antibiosis， virulence， environmental pollution remediation and pharmaceutical research and development. Our results will reveal the new biological control mechanism of Bacillus spp. based on siderophore， which will help to expand the biocontrol application of siderophore and develop new target biological pesticides.

Key words：Bacillus spp.;siderophore;siderophore-drug conjugate

鐵是所有生命有機(jī)體維持生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素，鐵元素是細(xì)胞氧化還原反應(yīng)過(guò)程中各種酶的重要輔助因子，在細(xì)胞氧代謝、電子轉(zhuǎn)移和RNA合成等諸多方面發(fā)揮重要作用^[1-2]。自然界中鐵元素含量極為豐富，占地殼金屬元素含量的5%。但由于鐵元素特殊的活潑性，在自然條件下Fe²⁺極易被氧化成Fe³⁺，形成穩(wěn)定的、不可溶的氧化鐵，不能被生物體利用^[3]。據(jù)報(bào)道，在自然環(huán)境中可供微生物利用的自由鐵濃度僅有1×10^-18mol/L，遠(yuǎn)低于大部分微生物正常生活所需的1×10^-6mol/L ^[4]。為了滿(mǎn)足自身鐵元素需求，生物體在不斷進(jìn)化過(guò)程中形成高效的鐵吸收轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，主要包括：螯合機(jī)制（Chelation）、還原機(jī)制（Reduction）以及質(zhì)子化機(jī)制（Protonation）^[5]，其中利用嗜鐵素（Siderophore，別名鐵載體）來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)外界鐵離子是微生物較為重要的一種螯合機(jī)制^[6]。

嗜鐵素，是生物體在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，應(yīng)對(duì)低鐵環(huán)境產(chǎn)生的一類(lèi)能特異性螯合三價(jià)鐵離子的小分子化合物，與Fe³⁺的結(jié)合能力非常強(qiáng)（生成常數(shù)可達(dá)1.0×10²³～1.0×10⁵²） ^[7]。研究報(bào)道較多的嗜鐵素包括：黑粉菌屬（Ustilago）和脈胞菌屬（Neurospora）真菌產(chǎn)生的鐵色素（Ferrichrome family）、紅酵母屬（Rhodotorula）真菌產(chǎn)生的玫紅酵母酸（Rhodotorulic acid）、水稻稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）產(chǎn)生的糞生素（Coprogen）、鏈霉菌屬（Streptomyces）細(xì)菌產(chǎn)生的鐵草胺（Ferrioxamine family）、假單胞菌屬（Pseudomonas）細(xì)菌產(chǎn)生的熒光性嗜鐵素（Pyoverdine）等^[2-4，6]。

芽孢桿菌（Bacillus spp.）因其抑菌譜廣、繁殖速度快、定殖能力強(qiáng)、能產(chǎn)生內(nèi)生芽孢應(yīng)對(duì)高溫、干旱、紫外線等逆境，是目前研究與生產(chǎn)上應(yīng)用最多的一類(lèi)生防細(xì)菌。已報(bào)道的生防芽孢桿菌有貝萊斯芽孢桿菌（B. velezensis）、枯草芽孢桿菌（B. subtilis）、蠟狀芽孢桿菌（B. cereus）、多黏芽孢桿菌（B. polymyxa）、巨大芽孢桿菌（B. megaterium）、短小芽孢桿菌（B. pumilus）等^[8]。目前芽孢桿菌嗜鐵素在生防中的貢獻(xiàn)國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道，本文對(duì)芽孢桿菌嗜鐵素的種類(lèi)、合成與調(diào)控機(jī)制、功能與應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)概述，為芽孢桿菌嗜鐵素的合成、調(diào)控及生防應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 嗜鐵素的種類(lèi)

目前，國(guó)內(nèi)外報(bào)道的嗜鐵素種類(lèi)已超過(guò)500種^[9]。按照不同的 Fe³⁺螯合基團(tuán)，嗜鐵素可分為4類(lèi)：兒茶酚型（Catecholate）嗜鐵素、異羥肟酸型（Hydroxamate）嗜鐵素、羧酸鹽型（Carboxylate）嗜鐵素及混合型嗜鐵素（圖1）^[10]。真菌主要分泌異羥肟酸型嗜鐵素，接合菌門(mén)真菌（如毛霉菌）和少數(shù)細(xì)菌（如根瘤菌）能產(chǎn)生羧酸鹽型嗜鐵素，細(xì)菌主要分泌兒茶酚型和異羥肟酸型嗜鐵素^[11]，其中兒茶酚型嗜鐵素結(jié)構(gòu)特征是以多個(gè)2，3-二羥基苯甲酸（Dihydroxybenzoate，DHB）相鄰的2個(gè)羥基作為螯合基團(tuán)，羧基部分連接不同氨基酸，形成不同結(jié)構(gòu)的兒茶酚型嗜鐵素，并且這些氨基酸可能參與細(xì)胞膜受體蛋白的識(shí)別與結(jié)合^[12]。

多數(shù)芽孢桿菌能分泌兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin，如炭疽芽孢桿菌（B. anthracis）、蘇云金芽孢桿菌（B. thuringiensis）、蠟質(zhì)芽孢桿菌（B. cereus）、解淀粉芽孢桿菌（B. amyloliquefaciens）等^[8，14-15]。兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin最早是從枯草芽孢桿菌（B. subtilis）培養(yǎng)液中分離獲得的嗜鐵素^[16]，由3個(gè)組合單元（甘氨酸、蘇氨酸、DHB）環(huán)化形成，質(zhì)合比值（m/z）為881。此外，部分芽孢桿菌還可以分泌產(chǎn)生羧酸鹽型嗜鐵素Pertrobactin^[14-15]。Wilson等^[17]報(bào)道炭疽芽孢桿菌（B. anthracis） USAMRIID不同生長(zhǎng)階段依次分泌兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin和羧酸鹽型嗜鐵素Pertrobactin兩種嗜鐵素。在缺鐵培養(yǎng)基中，菌株首先產(chǎn)生羧酸型嗜鐵素Pertrobactin，幾小時(shí)后開(kāi)始分泌兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin。這2種嗜鐵素在炭疽芽孢桿菌中各自發(fā)揮獨(dú)立作用：羧酸鹽型嗜鐵素Pertrobactin是在炭疽芽孢桿菌侵染初期（即芽孢萌發(fā)階段）產(chǎn)生，與菌株致病性密切相關(guān)；而兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin則是在炭疽芽孢桿菌侵染后期（即細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段）產(chǎn)生，關(guān)于兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin在炭疽芽孢桿菌中的代謝功能目前還未知，推測(cè)其可能在細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段起控制和調(diào)節(jié)作用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：羧酸型嗜鐵素Pertrobactin合成基因缺失突變株雖然可以產(chǎn)生兒茶酚型嗜鐵素，但突變株不能正常生長(zhǎng)，表明羧酸鹽型嗜鐵素Pertrobactin對(duì)炭疽芽孢桿菌的生長(zhǎng)和分裂至關(guān)重要；兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin合成基因缺失突變株的生長(zhǎng)能力和毒力強(qiáng)弱均未發(fā)生明顯變化。同時(shí)培養(yǎng)溫度會(huì)直接影響炭疽芽孢桿菌USAMRIID兩種嗜鐵素的產(chǎn)生，以室溫培養(yǎng)為參照，37 ℃培養(yǎng)條件下，羧酸鹽型嗜鐵素Pertrobactin產(chǎn)生量明顯增加，兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin產(chǎn)生量明顯下降^[17]。

越來(lái)越多的研究結(jié)果表明：大多數(shù)微生物能合成至少一種嗜鐵素^[18]。Patzer等^[19]報(bào)道缺鐵條件下，灰色鏈霉菌（Streptomyces griseus） ATCC 700974除了分泌常見(jiàn)的嗜鐵素-去鐵胺Desferrioxamines之外，還可以分泌一種兒茶酚型嗜鐵素Griseobactin，兒茶酚合成基因缺失突變體不能合成2，3-dihydroxybenzoate （DHBA）和兒茶酚型嗜鐵素Griseobactin，證實(shí)了兒茶酚合成基因簇在嗜鐵素Griseobactin生物合成中的重要作用。銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa） PAO1可以分泌2種嗜鐵素Pyoverdine和Pyochelin，低鐵條件下，銅綠假單胞菌PAO1會(huì)立即合成嗜鐵素Pyochelin，維持細(xì)菌的生命活動(dòng)；進(jìn)一步降低鐵離子濃度后，菌株P(guān)AO1才會(huì)產(chǎn)生螯合能力更強(qiáng)的嗜鐵素Pyoverdine^[20]。丁香假單胞菌（P. syringae） B728a除了能產(chǎn)生嗜鐵素Pyoverdine之外，還可以產(chǎn)生嗜鐵素Achromobactin^[13]。伯克氏霍爾德菌（Burkholderia cepacia） R456可以在缺鐵培養(yǎng)基中合成Ornibactin和Pyochelin兩種已知嗜鐵素和一種具有嗜鐵素活性的多肽^[21]。

2 嗜鐵素的合成及調(diào)控機(jī)制

嗜鐵素的合成機(jī)制主要分為2種：一種由非核糖體肽合成酶途徑（Nonribosomal peptide synthetases，NRPS）產(chǎn)生，如枯草芽孢桿菌（B. subtilis）分泌的Bacillibactin，大腸桿菌（Escherichia coli）分泌的 Enterobactin，假單胞菌分泌的Pyoverdine等；另一種由非依賴(lài)NRPS途徑（Nonribosomal peptide synthetases-independent siderophore，NIS）產(chǎn)生，如大腸桿菌（E. coli）分泌的 Aerobactin，炭疽芽孢桿菌（B. anthrasis）分泌的Petrobactin，假單胞菌分泌的Achromobactin等^[13]。

2.1 NRPS途徑合成嗜鐵素Bacillibactin

缺鐵條件下，多數(shù)芽孢桿菌可通過(guò)NRPS途徑合成以DHB為前體的兒茶酚型嗜鐵素 Bacillibactin。芽孢桿菌基因組中普遍含有DHB合成基因dhbABCEF。Bacillibactin的合成包括以下3個(gè)過(guò)程：DHB配體的合成、Bacillibactin的組裝和轉(zhuǎn)運(yùn)。DHB配體的最初來(lái)源是細(xì)菌糖代謝途徑產(chǎn)生的莽草酸與磷酸烯醇式丙酮酸（Phosphoenolpyruvic acid，PEP）作用，形成3-烯醇丙酮酸莽草酸-5-磷酸，在磷酸酶的作用下脫去磷酸根離子，形成分支酸。在異分支酸合成酶DhbC和異分支酸裂解酶DhbB的作用下，形成2，3-DHB配體。隨后通過(guò)基因dhbBEF編碼的合成酶進(jìn)行Bacillibactin的組裝，其中DhbE蛋白是一個(gè)大小為5.99×10⁴的獨(dú)立腺苷化結(jié)構(gòu)域，在ATP依賴(lài)性反應(yīng)中激活DHB配體，DHB隨后被轉(zhuǎn)移到DhbB蛋白（具有雙功能的異分支酸裂解酶/芳基載體蛋白）的輔因子磷酸泛酰巰基乙胺的游離巰基上。DhbF蛋白大小為2.64×10⁵，是一種含有雙模塊的非核糖體肽合成酶，專(zhuān)一性地腺苷酸化蘇氨酸和甘氨酸，并將兩種氨基酸共價(jià)連接后加載到相應(yīng)的肽基上，通過(guò)硫酯酶TE作用催化形成二聚體、三聚體，進(jìn)而發(fā)生環(huán)化反應(yīng)，Bacillibactin從合成酶上釋放（圖2）^[16]。芽孢桿菌嗜鐵素Bacillibactin的轉(zhuǎn)運(yùn)分為吸收與輸出兩個(gè)方向： Bacillibactin的吸收由細(xì)胞膜上嗜鐵素結(jié)合蛋白和跨膜ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)助完成，包括feuABC基因簇編碼形成的蛋白FeuA、FeuB和FeuC組成的Feu-ABC型轉(zhuǎn)運(yùn)體、基因feuD編碼的ATP酶以及三內(nèi)酯水解酶YuiI（BesA），其中FeuA已被證實(shí)對(duì)嗜鐵素-Fe³⁺復(fù)合物的形成具有納摩爾級(jí)的親和力。Yuil的主要功能是在細(xì)胞質(zhì)中將Fe³⁺從嗜鐵素-Fe³⁺復(fù)合物中釋放出去。Bacillibactin的輸出由基因ymfD編碼的MFS型轉(zhuǎn)運(yùn)體以及轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)蛋白Mta完成^[16]。

余賢美等^[22]報(bào)道dhbC是DHB合成過(guò)程中最重要的酶，dhbC缺失突變后芽孢桿菌喪失了產(chǎn)生嗜鐵素Bacillibactin的能力。Rowland等^[23]報(bào)道枯草芽孢桿菌（B. subtills）中含有2個(gè)異分支酸合成酶基因menF和dhbC，兩者在 DNA水平和氨基酸水平上分別具有 47%和 35%的同源性，menF是Menaquinone （MK，呼吸鏈成分之一）的合成基因。突變株ΔmenF依舊可以正常產(chǎn)生MK和DHB，而突變株ΔdhbC則喪失合成DHB的功能，保留了MK的合成能力，因此dhbC對(duì)于嗜鐵素合成起著決定性的調(diào)控作用。Abe等^[24]報(bào)道嗜鐵素Bacillibactin合成途徑中的非核糖體肽合成酶DhbE，作為?；?O-AMP的中間體，負(fù)責(zé)選擇性識(shí)別底物DHB并激活底物。反應(yīng)底物中加入DHB和L-半胱氨酸時(shí)，DhbE會(huì)識(shí)別底物，形成N-DHB-L-半胱氨酸。合成酶DhbE以苯甲酸和L-半胱氨酸為底物，可合成N-苯甲酰-L-半胱氨酸。因此，生產(chǎn)上可利用合成酶DhbE的N-?；磻?yīng)，合成N-芳香?；衔?。

2.2 NIS途徑合成嗜鐵素

NIS途徑合成嗜鐵素是獨(dú)立于NRPS途徑的另一種合成機(jī)制，該途徑一般產(chǎn)生異羥肟酸型或羧酸鹽型嗜鐵素。根據(jù)其激活底物的類(lèi)型，NIS合成酶被劃分為3類(lèi)：A類(lèi)可識(shí)別檸檬酸手性酸根基團(tuán)，B類(lèi)可識(shí)別α-酮戊二酸酸根基團(tuán)，C類(lèi)可識(shí)別羧酸的酯化或酰胺化衍生物^[13]。據(jù)報(bào)道，炭疽芽孢桿菌和部分蠟質(zhì)芽孢桿菌除了通過(guò)NRPS途徑產(chǎn)生嗜鐵素Bacillibactin之外，還可以通過(guò)NIS途徑產(chǎn)生嗜鐵素Petrobactin^[15]。

羧酸鹽型嗜鐵素Petrobactin是由檸檬酸、亞精胺和DHB組成的線性分子，其合成基因簇asbABCDEF分別編碼2類(lèi)不同的酶：NRPS合成酶（asbCDE）和NIS合成酶（asbAB），協(xié)同作用后形成產(chǎn)物Petrobactin。與兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin生物合成途徑類(lèi)似，羧酸鹽型嗜鐵素Petrobactin的生物合成途徑同樣可以分為以下3個(gè)過(guò)程：DHB配體的形成、Petrobactin的組裝與轉(zhuǎn)運(yùn)。但是嗜鐵素Petrobactin中DHB配體的形成過(guò)程與嗜鐵素Bacillibactin不同，莽草酸在脫水酶AsbF的作用下，直接形成3，4-DHB配體，隨后在NRPS合成酶AsbCD的作用下被激活，通過(guò)合成酶AsbE轉(zhuǎn)移至檸檬?；鶃喚饭羌苌稀型NIS合成酶AsbA專(zhuān)一催化亞精胺和檸檬酸的共價(jià)連接，產(chǎn)生（3S）-N⁸-檸檬?；鶃喚罚S后出現(xiàn)分叉：一種是上述的通過(guò)合成酶AsbE，將3，4-DHB從AsbD轉(zhuǎn)移到N⁸-檸檬?；鶃喚?；另一種是通過(guò)C型NIS合成酶AsbB的作用，產(chǎn)生檸檬?；p亞精胺。上述2種中間體分別通過(guò)合成酶AsbB或AsbE的作用進(jìn)行拼接，最后通過(guò)合成酶AsbE添加第2個(gè)3，4-DHB配體完成Petrobactin的生物合成（圖3）。

嗜鐵素Petrobactin的轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)膜上的底物結(jié)合蛋白和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共同作用完成。Zawadzka等^[25]研究發(fā)現(xiàn)，蠟質(zhì)芽孢桿菌中基因簇fpuA/fhuB和fatBCD/fhuC編碼的結(jié)合蛋白FpuA和FatB對(duì)嗜鐵素Petrobactin和Fe-Petrobactin復(fù)合物均表現(xiàn)出較強(qiáng)的親和力，F(xiàn)atB蛋白及其同源物在蠟質(zhì)芽孢桿菌中普遍存在?？莶菅挎邨U菌中，F(xiàn)atB蛋白的同系物YclQ也能緊密結(jié)合嗜鐵素Petrobactin和Fe-Petrobactin復(fù)合物^[26]。Carlson等^[27]報(bào)道在炭疽芽孢桿菌嗜鐵素Petrobactin的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，蛋白FpuA比FatB更能發(fā)揮重要作用。與野生型菌株或fatB缺陷型菌株相比，fpuA缺失突變株嗜鐵素Petrobactin的合成能力并沒(méi)有減弱，但是突變株生長(zhǎng)緩慢，培養(yǎng)基中積累較多的嗜鐵素Petrobactin。與fpuA缺失突變株相比，fpuA/fatB雙缺失菌株生長(zhǎng)速度更慢，因此推測(cè)FatB蛋白可能在嗜鐵素Petrobactin螯合鐵的過(guò)程中起輔助作用。此外，科學(xué)家們還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他大量的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體，如YfiY蛋白、FhuBDG蛋白等，但其底物的特異性和功能未知。值得注意的是，與基因簇fatBCD不同，基因簇asbABCEF和fpuA/fhuB均不包含細(xì)菌全局轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子-鐵攝取調(diào)節(jié)蛋白（Ferric uptake regulator，F(xiàn)ur）元件，表明嗜鐵素Petrobactin的生物合成和FpuA介導(dǎo)的Petrobactin轉(zhuǎn)運(yùn)之間存在更加緊密的關(guān)聯(lián)性^[15]。

2.3 嗜鐵素合成與轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控機(jī)制

細(xì)菌一方面在缺鐵脅迫環(huán)境下必須迅速作出反應(yīng)（如嗜鐵素運(yùn)輸系統(tǒng)等）獲取足夠的鐵元素；另一方面，細(xì)菌胞內(nèi)過(guò)量的鐵會(huì)引發(fā)芬頓反應(yīng)（Fenton/Haber-Weiss），產(chǎn)生有害的活性氧和羥基自由基，導(dǎo)致DNA損傷、細(xì)菌突變，甚至死亡^[28]。為此，細(xì)菌演變出多種鐵代謝調(diào)控系統(tǒng)，嚴(yán)格控制胞內(nèi)鐵離子濃度，維持體內(nèi)鐵平衡。鐵攝取調(diào)節(jié)蛋白Fur，是鐵代謝過(guò)程中的重要調(diào)控因子，屬于FUR超家族成員之一^[29]。Fur蛋白是由2個(gè)Fur單體形成的同源二聚體，分為無(wú)金屬離子apo-Fur結(jié)構(gòu)和與金屬配體結(jié)合的holo-Fur結(jié)構(gòu)，其中holo-Fur結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性好 ^[30]。

Fur蛋白在細(xì)菌鐵代謝中具有核心調(diào)控作用，主要包括嗜鐵素的合成和運(yùn)輸、鐵運(yùn)輸、鐵儲(chǔ)存及鐵外排相關(guān)酶的合成等^[28]。如在大腸桿菌中，F(xiàn)ur通過(guò)可逆地結(jié)合鐵硫簇，感知細(xì)胞內(nèi)游離Fe²⁺含量，調(diào)控細(xì)胞內(nèi)鐵代謝穩(wěn)態(tài)^[31]。在枯草芽孢桿菌中，有超過(guò)50個(gè)基因受Fur蛋白的調(diào)控^[28]。Pi等^[28]利用李斯特菌（Listeria monocytogenes）與Fe²⁺高親和力的外排轉(zhuǎn)運(yùn)體作為誘導(dǎo)工具來(lái)消耗枯草芽孢桿菌的胞內(nèi)鐵，結(jié)果表明：當(dāng)胞內(nèi)鐵從充足過(guò)渡到鐵缺乏時(shí)，F(xiàn)ur首先誘導(dǎo)鐵運(yùn)輸系統(tǒng)基因efeUOB、檸檬酸鐵運(yùn)輸系統(tǒng)基因fecCDEF等相關(guān)基因的表達(dá)，從周?chē)h(huán)境中直接吸收、運(yùn)輸可利用的鐵元素；其次在Fur蛋白調(diào)控下，枯草芽孢桿菌合成兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin，開(kāi)啟嗜鐵素?cái)z取系統(tǒng)，從環(huán)境中“掠奪”鐵元素，運(yùn)輸?shù)桨麅?nèi)加以利用；隨著細(xì)胞內(nèi)鐵濃度的繼續(xù)降低，由Fur調(diào)控的小RNA和3個(gè)小蛋白質(zhì)介導(dǎo)的枯草芽孢桿菌 “鐵保留”反應(yīng)（iron-sparing response）相關(guān)基因fsrA、fbpABC等被誘導(dǎo)激活，阻止細(xì)胞體內(nèi)大量利用鐵的蛋白質(zhì)（如三羧酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素以及血紅素等）翻譯，保證最重要的鐵依賴(lài)性酶的鐵需求^[28-29]。此外，F(xiàn)ur還可以參與氧化應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)菌毒力因子或生物表型的調(diào)控作用。如Fur通過(guò)抑制枯草芽孢桿菌中PerR蛋白（Peroxide response regulator，氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)蛋白，F(xiàn)UR超家族成員）的活性，激活鐵外排蛋白編碼基因pfeT的表達(dá)^[32]。Fur 可以調(diào)控霍亂弧菌毒素協(xié)同菌毛（Toxin coregulated pilus，TCP）合成基因tcpA、tcpP和toxT的表達(dá)和大腸桿菌六型分泌系統(tǒng)T6SS基因簇的表達(dá)^[33-34]。在枯草芽孢桿菌中，F(xiàn)ur除了調(diào)控嗜鐵素的合成和運(yùn)輸外，還可以影響細(xì)菌的產(chǎn)孢和生物膜形成^[35-37]。

Fur蛋白調(diào)節(jié)機(jī)制主要包括holo-Fur的“高鐵抑制”和“高鐵激活”、apo-Fur的“低鐵抑制”和“低鐵激活”以及Fur蛋白的自調(diào)節(jié)模式^[38]。經(jīng)典學(xué)說(shuō)認(rèn)為：holo-Fur負(fù)調(diào)控嗜鐵素的合成，即當(dāng)細(xì)菌體內(nèi)鐵離子充足時(shí)，F(xiàn)ur蛋白感應(yīng)細(xì)胞體內(nèi)鐵離子濃度，與鐵離子形成復(fù)合物。該復(fù)合物可以識(shí)別嗜鐵素合成基因啟動(dòng)子區(qū)的特殊序列（Fur box），阻止RNA聚合酶與DNA結(jié)合，抑制嗜鐵素合成基因的轉(zhuǎn)錄，不能產(chǎn)生嗜鐵素。當(dāng)細(xì)菌體內(nèi)鐵離子匱乏時(shí)，F(xiàn)e²⁺從holo-Fur結(jié)構(gòu)中解離，使得靶標(biāo)基因正常轉(zhuǎn)錄，合成嗜鐵素^[30]。除了Fur蛋白之外，細(xì)菌還可以通過(guò) σ因子和群體感應(yīng)（Quorum sensing，QS）信號(hào)調(diào)控嗜鐵素的合成。例如銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）兩種嗜鐵素（Pyoverdine和Pyochelin）的合成受σ因子FpvI和PvdS調(diào)控 ^[39]。通常情況下細(xì)菌體內(nèi)QS信號(hào)分子的積累會(huì)抑制嗜鐵素的合成，防止嗜鐵素積累過(guò)多，超過(guò)細(xì)菌的鐵吸收能力，造成傷害。如在哈維氏弧菌（Vibrio harveyi）中嗜鐵素Amphi-enterobactins只在細(xì)胞密度低的情況下才會(huì)產(chǎn)生，細(xì)胞密度高時(shí)，嗜鐵素Amphi-enterobactins的合成受到抑制^[40]。

3 嗜鐵素的功能及應(yīng)用

嗜鐵素的功能具有多樣性，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、生物等多個(gè)領(lǐng)域均具有極大的應(yīng)用價(jià)值，除了可以作為生物體中高親和性的鐵運(yùn)轉(zhuǎn)載體，還具有競(jìng)爭(zhēng)作用、抗生作用、毒力作用、環(huán)境污染修復(fù)作用。

3.1 競(jìng)爭(zhēng)作用

目前普遍認(rèn)為，細(xì)菌產(chǎn)生的嗜鐵素能競(jìng)爭(zhēng)螯合環(huán)境中的Fe³⁺，造成病原菌缺鐵，生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制^[41]。產(chǎn)嗜鐵素的枯草芽孢桿菌（B. subtilis） CAS15在缺鐵條件下對(duì)辣椒枯萎病的盆栽防效為44.4%，添加外源Fe³⁺后的盆栽防效僅為12.5%^[42]。貝萊斯芽孢桿菌（B. velezensis） YL2021缺鐵條件下能產(chǎn)生3種有抑菌作用的兒茶酚型嗜鐵素，培養(yǎng)基中添加鐵離子后，菌株分泌嗜鐵素的能力顯著降低^[43]。類(lèi)似的報(bào)道還有很多，如在缺鐵條件下，綠針假單胞菌（P. chlororaphis） YL-1產(chǎn)生的主要抑菌物質(zhì)是嗜鐵素Pyoverdine，菌株YL-1分泌嗜鐵素的能力與環(huán)境中鐵離子濃度呈負(fù)相關(guān)性。當(dāng)培養(yǎng)基中不添加鐵離子或相同濃度鐵離子時(shí)，隨著嗜鐵素純品使用劑量加大，對(duì)水稻白葉枯病菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）的抑制作用增強(qiáng)，當(dāng)培養(yǎng)基中添加鐵離子時(shí)，使用相同劑量的嗜鐵素對(duì)水稻白葉枯病菌的抑制作用明顯下降^[44]，該結(jié)果與Chen等^[45]的報(bào)道基本一致。

3.2 抗生作用

有報(bào)道細(xì)菌產(chǎn)生的嗜鐵素不僅可以通過(guò)鐵競(jìng)爭(zhēng)作用抑制病原菌的生長(zhǎng)，也可以作為抗生素直接抑制病原菌的生長(zhǎng)，發(fā)揮生防功效。解淀粉芽孢桿菌（B. amyloliquefaciens） MBI600缺鐵條件下產(chǎn)生兒茶酚型嗜鐵素Bacillibactin，室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果表明，嗜鐵素Bacillibactin對(duì)病原細(xì)菌——丁香假單胞菌（P. syringae）的生長(zhǎng)具有直接抑制作用^[8]。綠針假單胞菌YL-1產(chǎn)生的嗜鐵素Pyoverdine，無(wú)論是在鐵營(yíng)養(yǎng)豐富的LB平板還是缺鐵的LB平板上，對(duì)4種測(cè)試細(xì)菌的生長(zhǎng)具有較強(qiáng)的抑制作用，隨后發(fā)現(xiàn)嗜鐵素在缺鐵培養(yǎng)基和無(wú)鐵培養(yǎng)基中對(duì)測(cè)試細(xì)菌的室內(nèi)抑制作用幾乎無(wú)差異，推測(cè)嗜鐵素Pyoverdine除了傳統(tǒng)學(xué)說(shuō)認(rèn)為的“鐵競(jìng)爭(zhēng)作用原理”之外，還可作為抗生素直接抑制病原細(xì)菌的生長(zhǎng)^[44]。Abo-Zaid等^[46]采用優(yōu)化補(bǔ)料分批發(fā)酵工藝，大量提取熒光假單胞菌（P. aeruginosa） F2和銅綠假單胞菌（P. fluorescens） JY3產(chǎn)生的嗜鐵素制備生物殺菌劑，結(jié)果表明，用嗜鐵素制備的生物殺菌劑可有效防治尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）和立枯絲核菌（Rhizoctonia soliani）引起的小麥苗期猝倒病，其中F2和JY3對(duì)尖孢鐮刀菌引起的病害防效達(dá)80%，對(duì)立枯絲核菌引起的病害防效分別為87.49%和62.50%。

3.3 毒力因子

多數(shù)芽孢桿菌是無(wú)害的，但少部分芽孢桿菌對(duì)人和哺乳動(dòng)物是有致病性的，如炭疽芽孢桿菌和一些蠟質(zhì)芽孢桿菌。目前已知的對(duì)人和動(dòng)物有潛在致病性的芽孢桿菌都會(huì)產(chǎn)生嗜鐵素Petrobactin，雖然嗜鐵素Petrobactin自身并沒(méi)有毒性，但它是所有致病芽孢桿菌的一個(gè)共同特征^[47]。蠟質(zhì)芽孢桿菌中一些無(wú)毒菌株，如ATCC 10987，缺乏嗜鐵素Petrobactin合成基因簇和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因fpuA。蠟樣芽孢桿菌群體基因組的比較分析結(jié)果表明，大多數(shù)非致病性菌株缺乏嗜鐵素Petrobactin轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因fpuA或fatB，只有少數(shù)例外^[15]。Carlson等^[27]報(bào)道炭疽芽孢桿菌中fpuA缺失突變株生長(zhǎng)緩慢，與野生型菌株或fatB缺陷型菌株相比，培養(yǎng)基中積累較多的嗜鐵素Petrobactin。有趣的是，盡管炭疽芽孢桿菌合成嗜鐵素Petrobactin的能力并沒(méi)有減弱，但是在小鼠致病性實(shí)驗(yàn)中fpuA缺失突變株毒力降低，試驗(yàn)結(jié)果表明嗜鐵素Petrobactin吸收蛋白FpuA在炭疽芽孢桿菌致病過(guò)程中起重要作用。Zawadzka等^[25]報(bào)道蠟質(zhì)芽孢桿菌（B. cereus）侵染初期產(chǎn)生嗜鐵素Petrobactin，由于宿主（人和哺乳動(dòng)物）體內(nèi)的先天免疫蛋白Sidercalin（可以結(jié)合一般嗜鐵素及其復(fù)合物，使其不能被病原細(xì)菌利用，并通過(guò)腎臟排出體外）無(wú)法結(jié)合嗜鐵素Petrobactin，因此嗜鐵素Petrobactin可以保留在宿主體內(nèi)，被稱(chēng)為“隱形”嗜鐵素，是宿主的關(guān)鍵致病因子。

3.4 環(huán)境污染修復(fù)

石油類(lèi)化合物污染是海洋生態(tài)環(huán)保的一個(gè)重要難題，微生物嗜鐵素可促進(jìn)石油降解微生物對(duì)鐵的獲取和自身生長(zhǎng)，從而間接促進(jìn)石油類(lèi)化合物的生物降解。嗜鐵素Petrobactin是石油降解菌（Marinobacter hydrocarbonoclacticus）產(chǎn)生的嗜鐵素，在炭疽芽孢桿菌和蠟質(zhì)芽孢桿菌中廣泛存在^[48]。趙碧潔等^[49]研究發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌（P. aeruginosa） NY3產(chǎn)生的嗜鐵素Pyochelin通過(guò)乳化石油，促進(jìn)菌株對(duì)石油烴的降解。

嗜鐵素不僅對(duì)于Fe³⁺有著高效的特異螯合能力，對(duì)多種金屬離子如Cr²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺等也有著較強(qiáng)的結(jié)合能力。環(huán)境中重金屬影響微生物嗜鐵素的產(chǎn)量，有報(bào)道在銅污染的土壤中產(chǎn)嗜鐵素的微生物豐度多，嗜鐵素產(chǎn)量高^[50]。嗜鐵素和重金屬離子螯合后，將重金屬離子轉(zhuǎn)化為生物可利用的形式，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收和對(duì)重金屬的耐受性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)。目前植物修復(fù)重金屬污染被認(rèn)為是最安全、最具有創(chuàng)新性和最有效的方法之一^[11]。Khan等^[51]通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬、生物信息學(xué)分析和蛋白質(zhì)組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)構(gòu)巢曲霉（Aspergillus nidulans）產(chǎn)生的異羥圬酸型嗜鐵素與枯草芽孢桿菌受體之間存在特異性相互作用。隨后原子吸收光譜測(cè)定結(jié)果表明，枯草芽孢桿菌可利用外源異羥圬酸型嗜鐵素螯合環(huán)境中Cd²⁺，實(shí)現(xiàn)重金屬污染的生物修復(fù)。Cao等^[52]報(bào)道包括芽孢桿菌屬（Bacillus sp.） FFQ2在內(nèi)的6株細(xì)菌產(chǎn)生的嗜鐵素能在重金屬鎘、鉛污染環(huán)境下促進(jìn)長(zhǎng)根金錢(qián)菌的菌絲生長(zhǎng)，提高菌絲體內(nèi)Cd²⁺和Pb²⁺的積累，菌絲體內(nèi)抗氧化酶（SOD和POD）活性顯著降低，說(shuō)明細(xì)菌產(chǎn)生的嗜鐵素可以降低重金屬對(duì)菌絲體的毒性，進(jìn)而緩解重金屬離子誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)。隨后利用細(xì)菌產(chǎn)生的嗜鐵素對(duì)重金屬Cd和Pb污染土壤進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)土壤中的可溶性重金屬Cd²⁺和Pb²⁺濃度增加，表明嗜鐵素可以提高土壤中重金屬的可溶性，對(duì)土壤中重金屬的遷移起到積極作用。其他細(xì)菌如銅綠假單胞菌（P. aeruginosa）分泌的嗜鐵素Pyoverdine和Pyochelin能促進(jìn)玉米對(duì)重金屬Cr²⁺和Pb²⁺的吸收^[53]。伯克氏霍爾德氏菌（B. cepacia） SX9在缺鐵條件下產(chǎn)生兒茶酚型嗜鐵素，可以高效結(jié)合重金屬污染土壤中的Zn²⁺、Cd²⁺等，減輕重金屬離子對(duì)植物種子萌發(fā)的毒性，促進(jìn)植株生長(zhǎng)^[54]。放射農(nóng)桿菌（Agrobacterium radiobacter） D14產(chǎn)生的嗜鐵素可以螯合土壤中砷元素，細(xì)菌接種處理提高了楊樹(shù)對(duì)砷的耐受性和吸收效率，促進(jìn)楊樹(shù)生長(zhǎng)，植株根、莖和葉中砷含量顯著增加^[55]。

3.5 藥物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里嗜鐵素最早應(yīng)用于地中海貧血患者輸血期間鐵或鋁過(guò)載中毒的治療，著名的例子是由鏈球菌產(chǎn)生的嗜鐵素-去鐵胺（DFO-B）。缺鐵條件下，部分細(xì)菌除了能分泌自身嗜鐵素外，還能利用其他微生物分泌的外源嗜鐵素^[56]。這方面醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很多研究報(bào)道和實(shí)踐應(yīng)用，例如，淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae）自身不能產(chǎn)生嗜鐵素，但可以利用大腸桿菌（E. coli）、沙門(mén)氏菌（Salmonella typhimurium）及其他一些腸桿菌分泌的外源嗜鐵素來(lái)攝取鐵離子維持自身生長(zhǎng)^[57]。醫(yī)學(xué)研究人員利用外源嗜鐵素?cái)z取機(jī)制，將藥物和嗜鐵素偶聯(lián)，使藥物更容易進(jìn)入靶向病原微生物，同時(shí)還不會(huì)產(chǎn)生抗藥性，這種特殊的殺菌方式被稱(chēng)為“特洛伊木馬策略”^[58-60]。Neumann 等^[61]開(kāi)發(fā)了一種對(duì)致腎盂腎炎的大腸埃希菌株具有抗菌活性的腸桿菌素-環(huán)丙沙星復(fù)合物（Enterobactin-ciprofloxacin），該復(fù)合物具有與未經(jīng)修飾的環(huán)丙沙星相當(dāng)?shù)目咕钚?。近年?lái)，慕尼黑工業(yè)大學(xué)Arne Skerra教授提出了一個(gè)創(chuàng)新策略：重新編程人類(lèi)嗜鐵素免疫蛋白siderocalin，建立新型免疫蛋白“petrocalin”靶向“捕獲”炭疽芽孢桿菌產(chǎn)生的嗜鐵素Petrobactin，阻遏炭疽芽孢桿菌吸收賴(lài)以生存的鐵離子，從而抑制炭疽芽孢病菌的繁殖，保護(hù)人類(lèi)健康 ^[62]。

3.6 其他功能

除了上述功能外，嗜鐵素還具有促進(jìn)植株生長(zhǎng)、改善細(xì)菌自身生理學(xué)和生物表型等作用。Ferreira等^[63]報(bào)道枯草芽孢桿菌（B. stubtilis） DSM10能產(chǎn)生兒茶酚型嗜鐵素，對(duì)植株具有明顯的促生作用，堿性土壤中可以改善植株由于缺鐵導(dǎo)致的褪綠。Rizzi等^[64]報(bào)道枯草芽孢桿菌需要生物膜和嗜鐵素共同作用才能從培養(yǎng)基中獲得活性鐵，維持正常生長(zhǎng)。生物膜的形成能增強(qiáng)兒茶酚型嗜鐵素與鐵的螯合能力，顯著提高嗜鐵素的利用效率。Qin等^[37]報(bào)道枯草芽孢桿菌生物膜的形成需要大量的鐵，比細(xì)菌正常生長(zhǎng)所需的鐵含量高出數(shù)百倍。究其原因，與枯草芽孢桿菌生物膜基質(zhì)的形成有關(guān)：生物膜是導(dǎo)電的，嗜鐵素前體——DHB螯合的胞外鐵作為電子受體，是形成生物膜基質(zhì)的關(guān)鍵因子?？莶菅挎邨U菌中，與生物膜結(jié)合的鐵至少具有2個(gè)重要功能；一是協(xié)助胞外代謝，如電子轉(zhuǎn)移；二是在不損害生物膜鐵穩(wěn)態(tài)（即維持生物膜最低鐵濃度）的情況下，利用嗜鐵素和生物膜結(jié)合的鐵進(jìn)行鐵吸收^[65]。Grandchamp等^[36]報(bào)道多種細(xì)菌產(chǎn)生的嗜鐵素（如大腸桿菌產(chǎn)生的腸桿菌素Enterobactin）作為補(bǔ)源嗜鐵素能促進(jìn)枯草芽孢桿菌產(chǎn)孢相關(guān)基因的表達(dá)，嗜鐵素不僅為細(xì)菌提供賴(lài)以生存的鐵元素，還可能在細(xì)菌種屬間信號(hào)傳遞（產(chǎn)孢）中發(fā)揮重要作用。

4 小結(jié)

芽孢桿菌產(chǎn)生的抑菌物質(zhì)種類(lèi)較多，主要包括脂肽類(lèi)化合物、抗菌蛋白和聚酮類(lèi)化合物等，其中脂肽類(lèi)化合物是大家公認(rèn)的芽孢桿菌發(fā)揮生防作用的主要抑菌物質(zhì)^[8]。但是芽孢桿菌產(chǎn)生嗜鐵素的種類(lèi)及其作用（特別是生防貢獻(xiàn)）鮮有報(bào)道。劉郵洲等^[43]報(bào)道貝萊斯芽孢桿菌YL2021（CGMCC No.24302）基因組中含有完整的DHB合成基因簇。營(yíng)養(yǎng)正常的條件下，貝萊斯芽孢桿菌YL2021能產(chǎn)生脂肽類(lèi)化合物，不能產(chǎn)生嗜鐵素；缺鐵條件下，YL2021幾乎不能產(chǎn)生脂肽類(lèi)化合物，但能產(chǎn)生3種不同抑菌譜的兒茶酚型嗜鐵素。有趣的是，無(wú)論在營(yíng)養(yǎng)條件正常還是缺鐵條件，芽孢桿菌YL2021對(duì)很多病原真菌和細(xì)菌的生長(zhǎng)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用。上述結(jié)果表明，貝萊斯芽孢桿菌YL2021產(chǎn)生的嗜鐵素能抑制病原真菌或細(xì)菌的生長(zhǎng)，具有生防作用。

據(jù)報(bào)道，微生物產(chǎn)生多種嗜鐵素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)鐵系統(tǒng)并不是冗余的，不同嗜鐵素之間存在復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，保證微生物鐵代謝的高效穩(wěn)定^[21]。首先，Sathe 等^[66]報(bào)道嗜鐵素之間存在替補(bǔ)作用，當(dāng)一種鐵攝取途徑失去作用時(shí)，其他嗜鐵素轉(zhuǎn)運(yùn)途徑發(fā)揮替補(bǔ)作用。其次，微生物在特定環(huán)境中會(huì)選擇合成最適合的嗜鐵素，避免能量的浪費(fèi)^[67]。假單胞菌（P. aeruginosa） PAO1從鐵限制環(huán)境轉(zhuǎn)換到嚴(yán)重鐵限制環(huán)境時(shí)，細(xì)菌就會(huì)合成螯合能力較強(qiáng)的嗜鐵素 Pyoverdine，幫助微生物適應(yīng)惡劣的外界環(huán)境，這種轉(zhuǎn)換機(jī)制可能與嗜鐵素的螯合能力有關(guān)，也可能依賴(lài)于一些調(diào)控因子^[38]。缺鐵條件下，部分細(xì)菌除了能分泌自身嗜鐵素外，還能利用其他微生物分泌的嗜鐵素。模式菌株枯草芽孢桿菌Bs168基因組的功能注釋結(jié)果顯示該菌株可以結(jié)合并利用外源異羥圬酸型嗜鐵素，如Storey等 ^[68-69]。此外，有報(bào)道說(shuō)嗜鐵素可以作為公共物品被微生物群體共享。部分微生物可以在不消耗自身能量合成嗜鐵素的情況下，利用公共嗜鐵素獲取鐵離子維持自身生長(zhǎng)，而產(chǎn)生嗜鐵素的微生物也會(huì)進(jìn)化出相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制，阻遏這種“偷竊嗜鐵素”行為^[70]。

隨著人們生活水平的提高，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全性的要求也越來(lái)越高。2015年農(nóng)業(yè)部制定了化肥農(nóng)藥“零增長(zhǎng)行動(dòng)方案”，為達(dá)到這一目標(biāo)，迫切需求開(kāi)發(fā)環(huán)保、安全、種類(lèi)新穎、功能多樣的生物農(nóng)藥，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的“大藥大肥”向環(huán)境友好型生物治理的技術(shù)變革?；谑辱F素在醫(yī)藥研發(fā)上的“特洛伊木馬策略”，可以首先體外篩選病原微生物優(yōu)先利用的外源嗜鐵素，利用外源嗜鐵素介導(dǎo)的Fur蛋白阻遏自身嗜鐵素合成的新機(jī)制，“誘騙”病原微生物體將更多的外源嗜鐵素與藥物的耦合物運(yùn)輸至體內(nèi)，發(fā)揮藥物殺菌作用。上述設(shè)想對(duì)研發(fā)外源嗜鐵素和藥物偶聯(lián)的新型靶向農(nóng)藥具有重要指導(dǎo)意義。

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（責(zé)任編輯：張震林）