藻际微环境中藻体与微生物相互作用

李 芸，刘发龙，王巧晗，宫庆礼

(中国海洋大学 水产学院，山东 青岛 266003)

水生环境中主要初级生产力都是藻类贡献的，其在水生环境的物质循环和能量流动等方面的作用都极为重要；藻类可作为养殖动物饵料；可食用、药用[1]；而且其代谢产物如虾青素[2]、岩藻黄素[3]、海藻多糖类化合物[4]等，都具有巨大的应用价值；此外脂肪含量较多的微藻种类有望解决能源枯竭等问题[5]，有些藻类在去除重金属方面也具有重要的生态学功能[6]。

存在于水生生态系统的异养微生物对于自养藻类来说具有极为重要的意义，其可以通过多种转化途径将有机物分解并供给藻类利用，因此对于藻类而言异养微生物是不可或缺的生产者。自然界中的微生物分布广泛且种类极多，其生长迅速、易突变，具有遗传多样性的特点[7]，因此异养微生物在生态系统中的具体作用和功能也不尽相同。自然状态下的藻类与异养微生物密不可分，特别是微藻[8]。藻类与微生物的互相作用途径有共栖、共生、寄生等[9]。根据细菌在藻体生长环境中的分布特点，可以分为自由地在藻际环境中生活、 黏附在藻类细胞的表面、存在于藻类细胞内的细菌[10]。

在20世纪人们对根际微生态学的探索[11]，开启了植物与微生物关系的研究。近些年来，藻-菌关系的研究逐渐被人们重视。人们尝试从大型海藻体表分离细菌、真菌，研究其对藻体的具体作用，从而降低藻体发病率，提高养殖藻类的产量[12]；崔龙波等人利用微藻与共栖细菌联合体处理废水，且效果显著[13]；Luz E.Gonzalez等将小球藻与固氮细菌一起固定培养来提高小球藻的特定生长率[14]；张国海等利用益生菌与饵料微藻制成的胶球以调控养殖水体的水质情况[15]；Tadashi Toyama等人在其实验中利用废水中的原生细菌促进了三种微藻的生长[16]。人们还通过一系列的研究实验证实了异养细菌通过多种多样的方式对藻类的生长、形态发育、孢子的萌发以及移植产生影响[17]。也正是因为藻-菌之间复杂关系的存在，才形成了更为复杂、稳定的水生环境群落。总之，藻-菌共栖体系具有多样的存在形式和非常复杂的关系。研究藻-菌互作机制，并利用藻-菌互作机制造福人类已成为当下人们研究的热点，本文重点总结了藻类和藻际微生物的关系，试图为藻-菌关系的深入研究以及实际应用与实践提供理论依据。

1 藻际微环境

藻类在生长过程中，产生的有机物不仅用于满足自身需求，有一部分也会释放到藻体表面及外界环境中，因此在藻体周围会形成一种明显区别于外界大环境的小环境，人们将其定义为“藻际微环境”[18]。由于藻际微环境中藻体分泌物的存在，势必会吸引种类繁多的异养微生物在此生长繁殖，于是自然而然地便会形成结构复杂、功能多样的微生物群落，称为“藻际微生物[19]”。也正是因为大量有机物的存在，使得藻际微环境中的疏水性信号分子得以浓缩富集，因此藻际微环境相对稳定且复杂。因为藻际微环境的独特性，许多人认为其中可能蕴藏着较为有价值的新物种。同时，藻际微环境中的微生物也具有特异性和多样性[20]。有很多研究都表明，存在于藻际微环境中的微生物群落组成明显区别于水生大环境中的微生物群落结构[21]。而且有研究发现不同藻类以及相同藻类不同生长阶段的微生物菌群结构也是特异的[22]。因不同藻类对无机氮源、碳源等营养物质的利用顺序、转化途径及产等存在差异，种类各异的微生物也会通过硝化、氨化等不同的作用将有机物降解成不同的无机碳源、氮源等[23]，如此，经过长时间的互相选择、发展，藻体与存在于藻际微环境中的微生物既相互促进，又相互抑制、竞争，各取所需，并协同发展[24]。最终多样的藻际微环境衍生了多样的藻际微生物群落。

有研究表明某些种类的藻体总是与确定的微生物存在联系， 比如人们发现甲藻中的锥状斯氏藻(Scrippsiellatrochoidea)和亚历山大藻(Alexandriumcatenella)，硅藻中的圆海链藻(Thalassiosirarotula)和中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)，蓝藻原绿球藻(Porhcloorcocussp.)总是与玫瑰杆菌(Roseobacterlineage)和黄杆菌(Flavobacteriumcolumnare)之间存在密切关联[25-26]。Riquelm等发现星杆藻(Asterionellajaponica)对假单胞菌(Pseudomonas)022有专一的吸引作用，推测是因为藻体能向外释放溶解态氨基酸；Riquelm等还指出硼酸硅藻(Asterionellaglacialis)所产生的胞外产物对细菌的生长也存在特异性的作用[27]。此外，藻际微生物的抑藻活性也有很显著的种属特异性，比如 Fukami等人研究发现黄杆菌(Flavobacteriumsp.)对长崎裸甲藻(Gymnodiniumnagasakiense)具有明显的抑制作用，而对在其实验中的其他藻类没有表现出显著的抑制作用[27]，许多研究都发现与不同藻类相关的微生物都是特定的菌群，人们推测这些相应的微生物群落有开启和维系藻-菌密切关系的机制。

2 藻-菌的相互关系

藻体与藻际微生物之间的关系是极为复杂的，藻际环境中的藻体和细菌，既互利共生，又有相互拮抗[28]。藻-菌关系不仅是营养方式的互补，我们可将其关系总结为以下几点：基本营养物质依赖、活性物质相互作用、信息交流。正是存在一系列的相互作用才使藻-菌联系紧密，形成了复杂而稳定的微生态系统。

2.1 基本营养物质的互补

营养物质的互补从根本上取决于藻细胞和藻际微生物营养方式的互补，因为藻-菌在生长繁殖中所需的基本营养物质相互依赖，这也是藻-菌最为基础的关系[29]，也正是因为这一基本的关系使得藻-菌的生存更为长久。

自然界中大部分藻类是光合自养型生物[30]。首先，藻类在生长过程中会分泌大量胞外产物，其中部分可以被异养微生物生长繁殖利用，异养微生物可将大分子的有机物质分解为小分子物质或微量元素重新被藻类利用。其次，藻类光合作用产生的大量的溶解氧会显著增强藻类的光呼吸作用，对有益藻类的生长来说是不利的，但若有异养细菌的存在，因其生长繁殖会消耗溶解氧并释放CO2，使周围形成一种还原性的微环境，有研究表明这种环境更加有利于藻类的生长[31-32]。有研究指出在由根瘤菌属(Rhizobiumsp.)和小球藻(Chlorellavulgaris)组成的共栖体系中，细菌能够分解有机物并提供给小球藻合适的氮源，相应的，藻体能为细菌提供可利用的碳源[33]；另也有实验发现固氮蓝细菌UCYN-A可为定鞭藻类(Prymnesiumparvum)提供固定的碳源[34]。这一最基础的藻-菌关系可能会影响到藻体群落的组成和生产力，同时也造就了藻际微环境中所形成的微生物优势种群。但是，不排除有些情况下某些共生菌可能会与异养藻细胞争夺营养物质。例如微囊藻(MicrocystisKuetzing)死亡的藻体及分泌物均可被分解为可供自身利用的碳源，但由于芽孢杆菌(Bacillus)的大量生长繁殖又会产生与藻体争夺氮、磷营养盐的情况，以至于影响微囊藻(MicrocystisKuetzing)的生长[35]，另外也有一些种类的异养微藻可以通过摄食作用来捕杀细菌，如夜光藻(Noctilucascintillans)[36]。

2.2 产生活性物质作用于彼此

藻类和细菌在生长繁殖过程中会分泌种类丰富的代谢产物，如酶类、多糖、多肽等，以及促生长因子、抑制生长因子等[37]。有研究表明，产生维生素类物质的细菌能够改善绿藻维生素缺乏的症状[38]。另有研究发现细菌可以利用藻类释放的表面营养物质，转化为酶类及生长因子等来调节藻体的生长状况[39]；藻类促生菌中的有些种属能显著改善藻体应对胁迫的耐受程度，而且有些细菌能释放抗菌物质和水解酶杀死对藻体有害的生物[40]。在某些藻-菌共栖体系中，相比于单独培养的藻和细菌，胞外酶、某些特异酶、生长因子等物质的分泌量会大大增加。有研究显示赤潮藻类与某芽孢杆菌(Bacillus)共培养能显著提高两者胞外酶总活性[41]。其次，有些细菌还可将 Fe3+还原更容易被藻体利用的的 Fe2+[42]。相反有些细菌能够释放一些溶藻物质，如可直接分泌酶类溶解藻细胞，也可通过释放一些非特异性的毒素来杀死藻类[43]，细菌的这种溶藻行为就是典型的藻-菌拮抗的例子。同样的，有些藻类产生的多种活性物质可抑制细菌的生长繁殖[44]。目前，研究人员已证实某些海洋微藻具备产生抗菌活性物质的能力[45]，该发现有望应用于对有害微生物的生物防治中。

2.3 藻-菌共栖体系中新物质的生成

有许多研究都发现，藻际微环境的共生体系中会使藻-菌拥有合成其单独不能合成的物质的能力，即藻-菌相互作用可以共同合成新的物质。有实验发现当玫瑰杆菌与颗石藻共培养时菌体会产生对颗石藻有毒性的玫瑰毒素[46]，推测这可能与玫瑰杆菌排除异己，以获得自身的最大生长有关。Ashan等人发现巴西固氮螺菌(Azospirillumbrasilense)不仅能促进藻体生长，而且对于藻体中脂质含量及脂质丰富度都有显著影响[47]。在 Lin- Lan Zhuang设计的以 ssPBR为反应器的实验组，用细菌及其产生的 EPS涂层的棉布载体上生长的附着微藻的单细胞干重，细胞化学组成、放氧活性比起对照组都有显著的变化[48]。Ya Wang等的数据表明，麦氏交替单胞菌(AzospirillumMacleodii)对盐生杜氏藻(D.salina)的培养系统中砷的毒性、吸收和形成有强烈的影响，且能将砷转化为毒性较小的价位[49]。

3 信息交流

3.1 信号传导

频繁的营养物质交换是菌藻共生的基础，而信号转导是藻-菌互作的另一种方式。在这种情况下，相互作用的物质不是作为营养物质，而是被用于触发藻-菌彼此体内的一系列反应。这些相关化合物通常是一些是复杂、特定的分子；反应发生以后，会改变藻、菌的生活状态及行为；在有些情况下还有利于两者抵御不良的因素[50]。研究发现许多种类的微生物都能合成并释放被称为(autoinducer AI)的信号分子[51]。其浓度通常与微生物密度成正比，当其达到一定浓度时，菌体中相关基因会被信号分子启动并表达，由此调控细菌的生物行为，如分泌毒素、建立生物膜 、产生抗生素、生成孢子、产荧光等，菌体的这种调控方式被称为群体感应调节(quorum sensing QS)[52]。因藻类与细菌长期共存于同一环境，在漫长的进化过程中，细菌 QS信号分子也可以被真核植物宿主感应，因此其可能是植物与微生物跨界交流的重要途径[53]。目前已有研究显示微生物对藻类的作用受其QS信号的调节[54]。QS介导的菌群行为对藻类的影响主要是影响生态位的提供(生物膜的形成)、藻体孢子的成熟与释放、营养物质的加工与转化(碳、氮、硫、铁)、细菌的溶藻行为等[55]。例如，玫瑰杆菌(Roseobacter)的分离株鲁杰氏菌属(Ruegeria)TM1040会在费氏藻(Feldmannia)上形成的生物膜，不仅能够促进营养物质的富集，而且还有助于藻体的防御、抗污损作用[56]。相反，还有一些藻体可通过干扰细菌QS系统，来抑制溶藻细菌的数量以减少对自身的伤害[57]。现阶段已有研究证明藻体能够产生应对微生物QS的物质，用以抑制QS信号的产生或者减弱QS信号的影响[58]。其中曾惠等也证明螺旋藻提取物是通过抑制信号分子诱导的群体感应现象来抑制紫色色素的产生与生物膜的形成的[59]。其次，人们发现细菌大量增殖所引起的食物腐败变质也是由细菌的QS信号介导的，因此人们试图从海洋藻体中提取QS抑制剂及类似物来预防食物的腐败。

3.2 基因交流

藻-菌之间除了跨膜的信息传导还有更深层次的基因上的交流。 由于藻-菌长期共栖的优势促进了彼此的共同进化，使得藻-菌间的水平基因存在转移，在代谢机制上也会出现补充和简化，使得藻-菌关系更为密切。研究已发现在亚硫酸杆菌(Sulfitobater)和硅藻(Diatom)的共生系统中，虽然两者体内都含有合成色氨酸的基因，但是根据转录组分析结果表明，共生体系中亚硫酸杆菌合成色氨酸的基因相比于单独培养的菌株来说会有所下调，而硅藻中参与合成 IAA的色氨酸的相关基因上调[60]。Koester等采用基因组分析的方法，通过找到藻-菌进化的分子证据，证实布氏双尾藻(Ditylumbrightwelli)中的基因数目有部分来自于细菌[61]，其中最具代表性的基因元件是在参与光合作用的元件，包括捕光蛋白、光敏色素等[62]。造成这种结果的原因也许是藻类在正选择压力下的一种适应机制；其次人们广泛认为大部分的真核藻类是由蓝细菌通过原发性内共生的方式进化而来的[63]，即蓝细菌会影响真核藻类的进化。还有研究证明藻类可以分泌能够刺激细菌 DNA 合成的活性物质[64]，以上都属于藻-菌在分子水平上的交流。

4 总结

自然界中，藻-菌共栖是极为普遍的。这种共栖关系根据人们的需求可以简单地区分为有价值的和无价值的。其中有价值的藻-菌关系可大体分为以下几种：分离有益于经济藻类生长的藻际微生物，实现更高效的藻类规模化培养；将微生物的溶藻作用应用在治理赤潮藻类中；利用藻体与致病菌的竞争作用实现养殖池塘的健康养殖，降低养殖动物的发病率，提高养殖收益；利用藻-菌复合体改善养殖水体及城市废水处理，减少繁琐的污水处理环节，节省成本，提高处理效率；将细菌的絮凝作用应用于微藻收获环节，节省微藻培养成本，缩减收获步骤，具有巨大的经济效益。综上所述通过消除有价值藻-菌关系中的有害微生物的影响，扩大有益微生物的作用，实现藻-菌关系的最大化应用是近来的研究热点。并且因藻、菌都是生物体，生长繁殖较快，从实验阶段到实际应用阶段周期较短，具有较强的现实意义。

现阶段值得人们深入研究的藻-菌关系很多，但是海洋藻类中藻体与藻际微生物的作用机理涉猎甚少。不可否认该项研究工作繁重复杂，挑战巨大，但不管是对于生态养殖以及环境保护来说都可谓是巨大的机遇。现阶段，分子生态学、生物信息学、高通量测序等方法的发展，使得人们可以在分子水平上探索细菌与藻体互作的化学信号物质及作用机理，并通过系统发生分析探究藻际环境的微生物群落，使人们能对共栖藻-菌进行原位分析；其次，日渐成熟的群落分析法和组学技术，能更全面地较方便地揭示微生物的活动，以更好地理解藻类共生菌的结构和成因。但就目前的条件来说，还有很多现实的困难，比如：游离在藻际环境中的微生物稳定性较差，实际操作存在偶然性；野生条件下，细菌与藻体的关系不容易测定研究，而且如果单单是人工培养所形成的藻际微生物的群落结构很可能不同于自然环境；虽然各种方法发展迅速，但可培养的异养微生物种类极其有限，因此对于微生物在藻际环境中的确切生理功能还不能较好地了解，想要更为准确地研究藻际微环境中的微生态结构还需要更为成熟的方法、工艺流程等。