喬 真， 李佳霖， 秦 松

(1. 中國科學院煙臺海岸帶研究所海岸帶生物學與生物資源保護重點實驗室， 煙臺264003； 2. 中國科學院大學， 北京100049)

海洋藻類是全球碳循環(huán)中最重要的生產者，固碳量達500億t/a，約占全球初級生產力的40%[1]。藻類周圍存在大量細菌聚集生活，這些細菌與藻細胞共同構成了藻菌相互作用的藻際環(huán)境(phycosphere)。海洋中的藻類周圍存在著大量細菌。藻細胞向胞外分泌營養(yǎng)物質，吸引細菌定殖，促進周圍的細菌生長。參照陸生生態(tài)系統(tǒng)中“根際環(huán)境”的概念，將藻細胞外這一明顯區(qū)別與其他海水環(huán)境的藻菌互作微環(huán)境稱為“藻際環(huán)境”。藻種的差異、同種藻生長階段的差異導致藻際環(huán)境中胞外聚合物的成分不同，形成藻際環(huán)境中多樣化和特異性的細菌類群。在藻際環(huán)境中，細菌和藻細胞通過營養(yǎng)物質代謝、信息分子交流，實現互利、拮抗等復雜關系，其中細菌的群體感應(quorum sensing, QS)系統(tǒng)可以通過分泌化學信號來調控藻菌間的相互作用[2]。

對群體感應現象的研究始于1977年，Engebrecht[3]等在對費氏弧菌發(fā)光機制的研究中發(fā)現了細菌的密度依賴現象，這種現象由費氏弧菌合成分泌的?；呓z氨酸內酯(acyl homoserine lactones, AHLs)作為信號分子誘導。隨后在多種細菌中接連發(fā)現了這種分泌AHLs進行自誘導的機制，Fuqua提出群體感應這一概念，從此被廣泛采用，用于描述微生物間依賴細胞密度協調群體行為的傳感系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)首先由酶催化合成信號分子，當信號分子在胞外累積到一定濃度時，由感應分子識別進而引起受體蛋白的構象或基團變化，最終激活靶基因的表達[5]。在藻際環(huán)境中，群體感應可以作為細菌間通信的語言，放大種群的生物學功能，調控藻菌間復雜的相互作用，本文以群體感應作用為對象，綜述其在藻際環(huán)境中的研究現狀，以期為海洋藻菌相互作用關系的進一步研究提供基礎。

1 群體感應的物質基礎

到目前為止，在細菌中已發(fā)現了多種群體感應信號分子，這些物質大致分為3類：介導革蘭氏陰性菌QS的N-?；呓z氨酸內酯(N-acyl homoserine lactone, AHLs)類的信號分子；介導革蘭氏陽性菌QS的自誘導肽(autoinducing peptides, AIPs)型信號分子；在革蘭氏陰性菌和陽性菌中都發(fā)揮作用的呋喃酰硼酸二酯(furanosyl borate diester)即AI-2型信號分子。前兩者主要行使種間交流功能，后者通常行使種內交流功能。

(a)Acyl homoserine lactones(AHL)；(b)Autoinducing peptides-1(AIP-1);(c)AI-2。圖1 主要群體感應信號的化學結構Figure 1 Chemical structures of main quorum sensing signaling

主要群體感應信號的化學結構見圖1。AHLs是一類小分子水溶性化合物，通過?；逆溑c內酯化高絲氨酸環(huán)狀部分連接形成?；呓z氨酸內酯[3]。AHLs群體感應通路具有一致性，LuxI蛋白合成AHLs分子，當AHLs分子濃度累積達到一定閾值后，被受體蛋白LuxR識別，與LuxR結合形成二聚體進而激活靶基因的轉錄表達，LuxI/LuxR蛋白系統(tǒng)構成了通路的核心部分[6]。但不同細菌群體釋放的AHLs分子在?；鶄孺湹拈L度和取代基位置上存在差異。對不同海洋生境中篩選的100多個能夠分泌AHLs分子的細菌菌株，進行胞外物質的色譜質譜聯用分析，發(fā)現菌株產生的AHLs分子酰基側鏈從C8到C18長度不等，且大多數菌株能夠產生不止一種AHLs。如從甲藻中分離出來的細菌Dinoroseobactershiba能夠同時合成C18-en-HSL和C18-dien-HSL兩種信號分子[7]。這種機制有助于個體在復雜環(huán)境中特異性地分泌、識別信號分子，從而準確、快速地作出應答。AIPs型信號分子主要在革蘭氏陽性菌中發(fā)揮作用，這類信號分子由8～9個氨基酸殘基構成的前導肽AgrD蛋白經一系列加工修飾而成，但AIPs分子不能隨意穿過細胞膜，需要通過ATP結合盒轉運蛋白或其他轉運系統(tǒng)輸出到胞外[8]。AI-2型信號分子在革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌中都能發(fā)揮作用，這類信號分子最早在哈維氏弧菌中被發(fā)現，行種間溝通作用，其結構不穩(wěn)定，易發(fā)生快速結構變換，因此較難分離鑒定[9]。

藻際中細菌多以AHLs分子作為群體感應信號，且這些分子大多為長鏈AHLs(酰基側鏈中超過8個碳)[10]。近年來隨著薄層液相色譜、色譜-質譜聯用等方法在群體感應研究中的廣泛應用，從藻際中已經分離得到了除AHLs外其他類型的QS分子(表1)。

2 藻際環(huán)境中群體感應的功能

2.1 構建生物膜

生物膜可以被廣泛地定義為附著在生物或非生物表面的微生物菌體群落[18]。生物膜的構建不僅有利于細菌抵抗外界的不良環(huán)境，促進種群的生長繁殖，同時對藻類的增殖也有重要的促進作用。細菌在藻類表面形成生物膜是細菌在藻際定殖的基礎，定殖的細菌可以為藻類提供VB12、硫化物等生長必需但自身無法合成的營養(yǎng)物質，同時細菌可以吸收利用藻類釋放的有機物。生物膜的成功構建使得這些營養(yǎng)物質更易被獲取，有利于細菌與藻細胞進行營養(yǎng)交流[19]。

內酯酶能夠降解AHLs信號分子，在細菌體內主要由aiiA基因編碼合成。將來源于蘇云金芽孢桿菌的aiiA基因克隆轉入至銅綠假單胞菌中，群體感應信號表達缺陷的細菌突變株形成的生物膜明顯薄于正常菌株，且缺少復雜的結構、抗性較差[20]。玫瑰桿菌的基因轉錄實驗證實群體感應有助于細菌在藻類表面形成生物膜[21]。在細菌構建生物膜的過程中，群體感應能夠影響細菌的運動狀態(tài)，控制細菌在藻類宿主表面定殖。

2.2 影響藻類孢子的釋放與沉降

孢子是部分藻類產生的單細胞繁殖體或休眠體，內含遺傳基因和營養(yǎng)物質，孢子的釋放與沉降對藻類的生存至關重要，群體感應作為細菌間的通信語言，能直接影響藻類孢子的生理行為。研究發(fā)現，AHLs衍生物正丁基高絲氨酸內酯(BHL)能夠在100 μmol/L濃度下誘導紅藻(Acrochaetium)孢子釋放[22]。AHLs對石莼孢子的作用則更加復雜。當感應到AHLs分子時，孢子游動速度降低，在AHLs含量高的環(huán)境中大量聚集[23]；AHLs還能夠在不改變孢子游動的定位方向和對光刺激反應的條件下，抑制孢子后續(xù)的萌發(fā)與生長，進而降低孢子的代謝速率。這種作用方式有利于減緩石莼利用環(huán)境中營養(yǎng)物質的速度，增加其對環(huán)境條件變化的反應時間，提高石莼的生存競爭力[24]。

2.3 實現營養(yǎng)物質傳遞

海洋細菌與藻類間的互惠作用能夠促進藻際間碳、氮、硫等元素的交換與循環(huán)。玫瑰桿菌是一類在海洋中廣泛分布的細菌，能夠吸收甲藻產生的二甲基磺酰丙酸鹽(DMSP)，將其裂解轉化為二甲基硫醚(DMS)作為自身生長的硫來源。這一過程中浮游態(tài)的玫瑰桿菌首先是被甲藻釋放的DMSP等物質吸引，之后在玫瑰桿菌分泌的群體感應信號分子對苯二甲酸的作用下，在藻細胞表面成為附著態(tài)，轉化吸收DMSP并分泌抗生素防止甲藻細胞受到其他病原菌的傷害[25]。群體感應還可以調控束毛藻與其共棲異養(yǎng)細菌間代謝偶聯。束毛藻廣泛分布于寡營養(yǎng)海域中，與其共棲的異養(yǎng)細菌能夠通過堿性磷酸酶(APase)的作用以相同的方式從溶解的有機磷分子中獲取磷酸鹽。當異養(yǎng)細菌的豐度較大時，細菌釋放的群體感應信號能夠增強束毛藻Apase的活性，提高束毛藻對海水中磷元素的獲取能力[26]。這一機制反映出長期以來在寡營養(yǎng)海域中，藻菌間為適應營養(yǎng)物質競爭而進化出的通信模式，這一由群體感應介導的交流方式及其帶來的代謝響應可能對海域中的物質循環(huán)起著重要的作用。

藻際環(huán)境中細菌群體感應的作用還體現在直接影響藻類物質代謝。在研究微生物電池燃料的過程中，將從厭氧菌泥中提取得到的群體感應信號分子應用于小球藻的培養(yǎng)，小球藻的生物量和脂肪含量分別提高了2.25和1.28倍，信號分子還能夠加強小球藻的自聚集作用，大大提高了小球藻培養(yǎng)物的收獲效率，從而降低藻類生物燃料的生產成本[27]。

2.4 抑藻作用

藻際環(huán)境中的細菌大致可分為兩類：一類利用藻類釋放的營養(yǎng)物質供自身生長繁殖；另一類直接具有抑制藻類生長甚至溶藻的能力，吸收和利用藻細胞破裂釋放出營養(yǎng)物質。溶藻菌主要以兩種方式溶解藻細胞：一種為直接溶藻，是指細菌直接接觸藻細胞的表面或者侵入藻細胞發(fā)揮作用；另一種是間接溶藻，是指細菌通過分泌具有溶藻作用的胞外代謝物質或者與藻類競爭營養(yǎng)物質來完成抑藻、溶藻功能。目前報道的多數溶藻細菌的作用方式屬于后者。

溶藻菌的溶藻作用具有很強的生態(tài)意義，藻華的生消過程是一個典型例子。在赤潮暴發(fā)的水體中，溶藻菌與藻細胞在數量上呈現出對應關系，赤潮后期溶藻菌分泌溶藻物質加速了藻華的衰退，但只有當溶藻菌的細胞密度達到一定閾值后，才會發(fā)揮出溶藻作用，且溶藻菌的數目隨著藻華的消亡而降低[28]。從日本長崎近海海域中分離的一株γ-變形桿菌可以產生靈菌紅素，這種色素對赤潮種有強效的溶藻作用，實驗發(fā)現其靈菌紅素的產生受AHLs誘導，這株γ-變形桿菌的溶藻活性表現出明顯的細胞豐度依賴性[29]。

多數群體感應信號分子不會直接對藻類產生作用，但有部分長鏈AHLs分子以及它們在無酶催化情況下發(fā)生克萊森重排形成的四胺酸(Tetramic acids)產物能夠直接作用于藻類，抑制藻類的生長甚至殺死藻類。oxo-C12-AHL [圖2(a)]和oxo-C14-AHL[圖2(b)]是一類從海洋細菌中分離得到的長鏈AHLs分子，它們能夠通過影響硅藻細胞周期基因和脂質代謝基因表達抑制硅藻的生長。oxo-C12-AHL的克萊森重排四胺酸產物TA12[圖2(c)]可以作用于硅藻光合系統(tǒng)中的光系統(tǒng)Ⅱ，抑制光合電子傳遞，影響硅藻的生長，甚至殺死藻類[30]。oxo-C14-AHL的重排產物TA14[圖2(d)]同樣可以通過影響硅藻的光合系統(tǒng)來殺死藻類，且具有比TA12更加顯著的殺藻作用[31]。

(a)oxo-C12-HSL;(b)oxo-C14-HSL;(c)TA12;(d)TA14。圖2 oxo-C12-HSL、oxo-C14-HSL、TA12和TA14的化學結構[30-31]Figure 2 Chemical structures of oxo-C12-HSL, oxo-C14-HSL, TA12 and TA14[30-31]

2.5 群體淬滅

在藻菌關系中，藻類可以通過抑制細菌群體感應的作用來減少藻際細菌的數量，從而減輕細菌帶來的有害作用，這種機制被稱為群體淬滅(quorum quenching)。從作用機制方面來看，群體淬滅的方式主要分為兩類：一類是通過合成AHLs類似物阻止信號分子與感應蛋白結合，干擾群體感應途徑；另一類是通過合成內酯酶來降解信號分子至閾值以下，阻斷群體感應[32](圖3)。

圖3 AHLs介導的群體淬滅過程(基于參考文獻[33]修改)Figure 3 The progress of AHLs-mediated quorum quenching (modified from reference[33])

從紅藻中分離的鹵代呋喃酮與AHLs的結構類似，能夠競爭性地結合并且部分降解信號受體LuxR蛋白，減弱細菌的群體感應強度，抑制其群落生長[34]。通過研究19種微藻對細菌群體感應的影響發(fā)現其中微綠球藻等藻種均表現出了不同程度的群體感應抑制作用[35]；在小球藻藻菌共培養(yǎng)體系中，研究發(fā)現小球藻可以分泌AHLs類似物來干擾細菌的群體感應，顯著抑制細菌的生長[36]。底棲硅藻Nitzschiacfpellucida也可以利用同類酶降解信號分子OHHL(N-3-oxohexanoyl homoserine lactone)，應用高效液相色譜-質譜分析可知酶的滅活作用破壞了信號分子中的N-酰基鏈，從而導致了AHLs分子的失活[37](圖4)。利用群體淬滅減小共棲細菌的種群密度，減輕營養(yǎng)物質競爭壓力，是藻類在長期進化中獲得的生存策略。

圖4 OHHL的降解過程(基于參考文獻[37]修改)Figure 4 Degradation process of OHHL (mediated from reference[37])

3 藻際環(huán)境群體感應的應用

群體感應在陸地環(huán)境中已取得了廣泛的應用，包括防治植物細菌病害、延緩抗生素治療中耐藥性的產生、凈化水質等。在海洋環(huán)境中群體感應擁有巨大的應用潛力，包括防護海洋生物污損、防控赤潮等功能，未來還可以從構建藻際環(huán)境以促進局部營養(yǎng)元素微循環(huán)等角度出發(fā)，深入挖掘群體感應系統(tǒng)在生態(tài)調控與修復中的應用。

3.1 防護海洋生物污損

海洋生物污損是指海洋中動物、植物或微生物在海洋結構物表面附著、定殖、生長、腐蝕的過程，該過程會造成海洋監(jiān)測儀器、船只等設備的腐蝕[38]。生物膜的形成是海洋污損發(fā)生的首要條件，微生物利用分泌的胞外聚合物等物質吸附在固體表面形成厚度較小的生物膜，待生物膜成熟之后吸引浮游藻類、孢子等附著。在生物膜生長、發(fā)育和成熟的過程中，群體感應系統(tǒng)始終發(fā)揮著重要的作用，如調節(jié)微生物胞外聚合物分泌、調節(jié)生物膜內微生物密度等[39]。目前廣泛采用的污損防護方法主要有使用殺菌劑涂層、防污涂料等物理、化學手段[40]，未來可以從生物污損與微生物群落及群落間群體感應系統(tǒng)的關系入手，為防護海洋生物污損提供新思路。

3.2 防治赤潮

赤潮是常見的海洋災害，其發(fā)生會對環(huán)境、經濟造成嚴重影響。目前已有多種物理、化學方法應用于赤潮的防治，但仍存在成本高、效率低等不足，因此急需開發(fā)出一種低成本、高效率、環(huán)境友好的防治方法。細菌在海洋環(huán)境中分布廣泛，與藻類關系密切，部分抑藻、殺藻細菌能夠利用群體感應系統(tǒng)調控藻菌間復雜的關系。從微藻中分離得到的具有群體感應系統(tǒng)的細菌，能夠明顯抑制東海原甲藻、棕囊藻等赤潮藻類的生長[41]。未來開發(fā)群體感應或群體感應抑制劑來干擾菌藻關系，抑制藻類生長，避免單一物種過度繁殖引發(fā)的生態(tài)環(huán)境污染，可以為有效防治赤潮提供新的思路。

3.3 生物絮凝微藻

微藻具有種類豐富、生長繁殖快、固碳能力強、抗逆能力強等優(yōu)勢，可以用于生產生物質燃料。但由于微藻細胞微小，常懸浮于水中，因此微藻的采收難度較大、成本較高。相比較于沉降、離心、過濾等采收方法，使用絮凝的方法對藻細胞破壞較小、采收成本低且效率高，但使用有機或金屬的絮凝劑會向培養(yǎng)體系中引入二次污染，因此生物絮凝的方法更具優(yōu)勢[42]。已有研究發(fā)現細菌分泌的群體感應信號能夠加強小球藻的自聚集，還能增加小球藻的生物量和脂肪含量[27]，利用微生物手段調節(jié)藻類生理行為，為更加有效地收集藻類生物質能源提供可能。

4 總結與展望

群體感應以化學信號為“語言”，實現了藻菌的跨界溝通，協調藻菌間的復雜聯系，維持藻際環(huán)境的穩(wěn)定。對藻際中群體感應的研究已取得了多方進展，包括群體感應信號分子的類型、來源、作用等。對這一系統(tǒng)的研究有助于更深層次地認識微生物在藻際環(huán)境中功能的多樣性，以及深入理解藻菌在自然環(huán)境中的相互作用關系。

群體感應機制是復雜的生物間相互作用過程，目前仍有許多科學問題需要深入研究：(1)藻際中多數細菌分泌的信號分子屬于長鏈AHLs類，研究表明還存在多種類型分子同樣發(fā)揮著信號作用，包括AI-2類、TDA類等，對這類分子的結構、合成分泌機制以及功能應用等方面的了解仍不夠深入。未來通過提高生物傳感器檢測精度，充分應用色譜-質譜聯用技術，可以鑒定更多的群體感應信號分子，完善藻際環(huán)境中群體感應系統(tǒng)化學多樣性的研究。(2)群體感應在藻際環(huán)境中的功能還未完全闡明，部分信號分子的作用不僅僅是介導細胞通信，如TDA在被劃分為群體感應信號前首先被定義為藻類釋放的抗菌劑。因此，聯合多組學分析將更加有助于探明藻際物質對藻菌關系的調節(jié)功能，通過跟蹤實驗中模式生物的轉錄組和代謝組的變化情況，能夠表征藻菌受群體感應影響的代謝路徑，更全面地解析藻際環(huán)境中微生物群落與宿主藻類的復雜聯系。(3)作為海洋中最大的初級生產者和初級消費者，藻類與異養(yǎng)細菌構成了海洋微食物網的重要組分，共同推動海洋碳循環(huán)過程。從藻際細菌的群體感應入手，探究有機物質轉化過程中藻菌相互作用，可以為進一步理解微型生物碳泵介導海洋碳物質循環(huán)的機制提供新思路。