在番茄的根系、小鼠的肠道或是人类的伤口上，一些微小生命正上演着复杂的生存博弈。这些细菌有的与宿主和谐共生，带来益处；有的则引发疾病，造成损害。

决定细菌与宿主关系走向的关键，往往隐藏在它们的基因中。综述文章《Shedding light on bacteria–host interactions with the aid of TnSeq approaches》，系统梳理了利用转座子插入测序技术研究细菌-宿主相互作用的进展。

01 共生与致病
细菌在自然界中广泛定殖植物和动物宿主。宿主与细菌相互作用的不同结果促使了截然不同的生活方式或关系：互利共生，即细菌和宿主双方都获益；共生性，即当相互作用对细菌有益且不伤害宿主时；致病性，即细菌具有损害宿主并引发疾病的能力；以及机会主义，即通常不致病的细菌在宿主防御干扰后变得致病。

无论这些相互作用的最终结果如何，细菌成功定植于宿主需要克服一系列挑战：它们必须逃避宿主先天免疫系统的攻击，并能够在宿主环境中持续存在。

动物与植物宿主虽属于不同的生物界，但它们都为微生物提供了类似的环境挑战，包括营养获取、免疫反应以及与其他微生物的竞争。

研究表明，尽管在功能上相似的器官中，植物和动物共享的细菌类群并不多，但定植动物和植物的细菌却可能使用相似的基因策略来应对这些挑战。

图1 宿主定植过程中细胞功能的概览。示例包括向宿主及其代谢产物的运动/远离运动、对宿主相关压力和防御机制的耐受、对宿主可用能量来源的代谢、附着、细胞内侵入以及与其他宿主微生物的竞争/协同等。

02 Tn-seq技术
要理解细菌如何在特定条件（包括在宿主内定植）下生存和生长，传统方法是破坏细菌的基因组区域，然后筛选突变库中表现出特定性状的突变体。然而，这种方法需要单独测量每个突变体的性状，工作量大、耗时漫长。

TnSeq是一种革命性的功能基因组学技术，它通过构建包含数万个随机插入突变体的文库，并在特定选择性条件（如宿主环境）下进行竞争，再结合高通量测序量化各突变体的丰度变化，从而在全基因组范围内高效鉴定出对细菌适应度至关重要的基因。与传统逐个筛选突变体的方法相比，TnSeq具有高通量、能反映群体竞争真实情况的巨大优势。

该技术自2009年发展以来，已衍生出TraDIS、RB-TnSeq、dTnSeq等多种变体，并成功应用于数百种细菌，揭示了诸如嘌呤合成和色氨酸代谢等跨物种保守的定植核心途径，以及动植物宿主定植所需基因的差异（如植物定植更依赖氨基酸合成和运动性基因）。

图2  Tnseq工作流程概述

03 技术应用
Tn-seq及其衍生技术已成功应用于多种细菌，包括革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。尽管大多数研究集中在对人类健康有重要影响的病原菌上，但对共生和互利细菌的研究也在逐渐增加。这项技术甚至已经扩展到酵母、微藻、古菌和阿米巴原虫等其他生物中。

应用价值包括：
开发新药：针对致病菌的定植基因（比如嘌呤合成基因），设计靶向药物 —— 让细菌 “无法安家”，就不会引发疾病；

优化农业：筛选植物共生细菌的关键定植基因，培育更高效的 “生物刺激剂”—— 帮助植物吸收养分、抵抗病虫害，减少化肥农药使用；

改善微生物组：了解益生菌的定植需求，让它们在人体或植物体内更稳定地发挥作用。

04 关键基因
通过对58项细菌在不同宿主中定植的Tn-seq研究进行比较分析，科学家发现，无论细菌与宿主的相互作用类型如何，嘌呤合成和色氨酸代谢途径通常对有效定植至关重要。

这些发现与先前的研究报告一致，嘌呤从头合成被认为是细菌致病和互作的基础。色氨酸作为生物合成成本最高的氨基酸之一，其生物利用度常常限制细菌增殖。

有证据表明，动物和植物宿主体内的色氨酸水平都较低，因此合成这种氨基酸的能力对细菌成功定植至关重要。色氨酸合成途径的最后共同前体是通过莽草酸途径产生的分支酸。

值得注意的是，如果相关基因是必需的，嘌呤合成和色氨酸代谢途径在某些物种中可能不会表现为对宿主定植很重要。这意味着突变这些基因的细菌在初始突变库中就无法存活，因此无法通过Tn-seq检测到这些基因的重要性。

05 宿主差异
当研究人员比较影响细菌在动物和植物宿主内定植的基因时，发现主要差异出现在氨基酸生物合成和细胞运动性相关的基因类别中。

在植物定植研究中，这两类基因似乎比在动物定植中更为重要。这种差异可能表明植物与动物宿主相比，氨基酸含量更低、可利用性更差，因此细菌需要更强的氨基酸生物合成能力才能在植物中成功定植。

氨基酸合成对植物相关细菌调节根际pH值，进而影响植物免疫也具有重要意义。细胞运动性基因的差异则表明，鞭毛运动性可能是植物宿主成功定植的关键因素。

相比之下，动物宿主的定植菌如鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌和铜绿假单胞菌则不需要鞭毛运动性来定植宿主。这一发现与许多植物-细菌相互作用研究中鞭毛对宿主定植和识别至关重要的观点一致。

06 研究讨论
尽管存在生活方式与宿主类型的差异，不同细菌仍共享核心定殖因子。TnSeq等高通量技术通过系统比较不同研究，揭示了细菌与宿主互作（无论有害或有益）常依赖相似的底层机制，且这些机制常与宿主种类无关。分析表明，宿主微环境中的营养差异是驱动适应性基因分化的关键选择压力，而这一因素及毒力因子检测的技术局限常被低估。

未来挑战在于利用TnSeq探索更复杂的生物学问题。需开发更贴近自然的多物种定殖模型，综合考虑宿主生理状态、微生物组互作及营养背景的影响。建立统一的TnSeq数据平台将有力支撑跨研究比较，助力针对关键通路开发精准的病害防治或植物促生策略。

细菌和宿主的相互作用，是一场持续了亿万年的 “博弈”。而 TnSeq 技术，就像一把钥匙，帮我们打开了细菌基因的 “黑箱”。从农业生产到人类健康，这些关于 “定植基因” 的发现，正在悄悄改变我们应对细菌的方式 —— 不再是简单的 “杀菌”，而是精准 “调控” 细菌与宿主的关系。

杭州沃森生物Tnseq技术服务
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