海洋藻际环境中细菌群体感应研究进展

乔 真， 李佳霖， 秦 松

(1. 中国科学院烟台海岸带研究所海岸带生物学与生物资源保护重点实验室， 烟台264003； 2. 中国科学院大学， 北京100049)

海洋藻类是全球碳循环中最重要的生产者，固碳量达500亿t/a，约占全球初级生产力的40%[1]。藻类周围存在大量细菌聚集生活，这些细菌与藻细胞共同构成了藻菌相互作用的藻际环境(phycosphere)。海洋中的藻类周围存在着大量细菌。藻细胞向胞外分泌营养物质，吸引细菌定殖，促进周围的细菌生长。参照陆生生态系统中“根际环境”的概念，将藻细胞外这一明显区别与其他海水环境的藻菌互作微环境称为“藻际环境”。藻种的差异、同种藻生长阶段的差异导致藻际环境中胞外聚合物的成分不同，形成藻际环境中多样化和特异性的细菌类群。在藻际环境中，细菌和藻细胞通过营养物质代谢、信息分子交流，实现互利、拮抗等复杂关系，其中细菌的群体感应(quorum sensing, QS)系统可以通过分泌化学信号来调控藻菌间的相互作用[2]。

对群体感应现象的研究始于1977年，Engebrecht[3]等在对费氏弧菌发光机制的研究中发现了细菌的密度依赖现象，这种现象由费氏弧菌合成分泌的酰基高丝氨酸内酯(acyl homoserine lactones, AHLs)作为信号分子诱导。随后在多种细菌中接连发现了这种分泌AHLs进行自诱导的机制，Fuqua提出群体感应这一概念，从此被广泛采用，用于描述微生物间依赖细胞密度协调群体行为的传感系统[4]。该系统首先由酶催化合成信号分子，当信号分子在胞外累积到一定浓度时，由感应分子识别进而引起受体蛋白的构象或基团变化，最终激活靶基因的表达[5]。在藻际环境中，群体感应可以作为细菌间通信的语言，放大种群的生物学功能，调控藻菌间复杂的相互作用，本文以群体感应作用为对象，综述其在藻际环境中的研究现状，以期为海洋藻菌相互作用关系的进一步研究提供基础。

1 群体感应的物质基础

到目前为止，在细菌中已发现了多种群体感应信号分子，这些物质大致分为3类：介导革兰氏阴性菌QS的N-酰基化高丝氨酸内酯(N-acyl homoserine lactone, AHLs)类的信号分子；介导革兰氏阳性菌QS的自诱导肽(autoinducing peptides, AIPs)型信号分子；在革兰氏阴性菌和阳性菌中都发挥作用的呋喃酰硼酸二酯(furanosyl borate diester)即AI-2型信号分子。前两者主要行使种间交流功能，后者通常行使种内交流功能。

(a)Acyl homoserine lactones(AHL)；(b)Autoinducing peptides-1(AIP-1);(c)AI-2。图1 主要群体感应信号的化学结构Figure 1 Chemical structures of main quorum sensing signaling

主要群体感应信号的化学结构见图1。AHLs是一类小分子水溶性化合物，通过酰基肽链与内酯化高丝氨酸环状部分连接形成酰化高丝氨酸内酯[3]。AHLs群体感应通路具有一致性，LuxI蛋白合成AHLs分子，当AHLs分子浓度累积达到一定阈值后，被受体蛋白LuxR识别，与LuxR结合形成二聚体进而激活靶基因的转录表达，LuxI/LuxR蛋白系统构成了通路的核心部分[6]。但不同细菌群体释放的AHLs分子在酰基侧链的长度和取代基位置上存在差异。对不同海洋生境中筛选的100多个能够分泌AHLs分子的细菌菌株，进行胞外物质的色谱质谱联用分析，发现菌株产生的AHLs分子酰基侧链从C8到C18长度不等，且大多数菌株能够产生不止一种AHLs。如从甲藻中分离出来的细菌Dinoroseobactershiba能够同时合成C18-en-HSL和C18-dien-HSL两种信号分子[7]。这种机制有助于个体在复杂环境中特异性地分泌、识别信号分子，从而准确、快速地作出应答。AIPs型信号分子主要在革兰氏阳性菌中发挥作用，这类信号分子由8～9个氨基酸残基构成的前导肽AgrD蛋白经一系列加工修饰而成，但AIPs分子不能随意穿过细胞膜，需要通过ATP结合盒转运蛋白或其他转运系统输出到胞外[8]。AI-2型信号分子在革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌中都能发挥作用，这类信号分子最早在哈维氏弧菌中被发现，行种间沟通作用，其结构不稳定，易发生快速结构变换，因此较难分离鉴定[9]。

藻际中细菌多以AHLs分子作为群体感应信号，且这些分子大多为长链AHLs(酰基侧链中超过8个碳)[10]。近年来随着薄层液相色谱、色谱-质谱联用等方法在群体感应研究中的广泛应用，从藻际中已经分离得到了除AHLs外其他类型的QS分子(表1)。

2 藻际环境中群体感应的功能

2.1 构建生物膜

生物膜可以被广泛地定义为附着在生物或非生物表面的微生物菌体群落[18]。生物膜的构建不仅有利于细菌抵抗外界的不良环境，促进种群的生长繁殖，同时对藻类的增殖也有重要的促进作用。细菌在藻类表面形成生物膜是细菌在藻际定殖的基础，定殖的细菌可以为藻类提供VB12、硫化物等生长必需但自身无法合成的营养物质，同时细菌可以吸收利用藻类释放的有机物。生物膜的成功构建使得这些营养物质更易被获取，有利于细菌与藻细胞进行营养交流[19]。

内酯酶能够降解AHLs信号分子，在细菌体内主要由aiiA基因编码合成。将来源于苏云金芽孢杆菌的aiiA基因克隆转入至铜绿假单胞菌中，群体感应信号表达缺陷的细菌突变株形成的生物膜明显薄于正常菌株，且缺少复杂的结构、抗性较差[20]。玫瑰杆菌的基因转录实验证实群体感应有助于细菌在藻类表面形成生物膜[21]。在细菌构建生物膜的过程中，群体感应能够影响细菌的运动状态，控制细菌在藻类宿主表面定殖。

2.2 影响藻类孢子的释放与沉降

孢子是部分藻类产生的单细胞繁殖体或休眠体，内含遗传基因和营养物质，孢子的释放与沉降对藻类的生存至关重要，群体感应作为细菌间的通信语言，能直接影响藻类孢子的生理行为。研究发现，AHLs衍生物正丁基高丝氨酸内酯(BHL)能够在100 μmol/L浓度下诱导红藻(Acrochaetium)孢子释放[22]。AHLs对石莼孢子的作用则更加复杂。当感应到AHLs分子时，孢子游动速度降低，在AHLs含量高的环境中大量聚集[23]；AHLs还能够在不改变孢子游动的定位方向和对光刺激反应的条件下，抑制孢子后续的萌发与生长，进而降低孢子的代谢速率。这种作用方式有利于减缓石莼利用环境中营养物质的速度，增加其对环境条件变化的反应时间，提高石莼的生存竞争力[24]。

2.3 实现营养物质传递

海洋细菌与藻类间的互惠作用能够促进藻际间碳、氮、硫等元素的交换与循环。玫瑰杆菌是一类在海洋中广泛分布的细菌，能够吸收甲藻产生的二甲基磺酰丙酸盐(DMSP)，将其裂解转化为二甲基硫醚(DMS)作为自身生长的硫来源。这一过程中浮游态的玫瑰杆菌首先是被甲藻释放的DMSP等物质吸引，之后在玫瑰杆菌分泌的群体感应信号分子对苯二甲酸的作用下，在藻细胞表面成为附着态，转化吸收DMSP并分泌抗生素防止甲藻细胞受到其他病原菌的伤害[25]。群体感应还可以调控束毛藻与其共栖异养细菌间代谢偶联。束毛藻广泛分布于寡营养海域中，与其共栖的异养细菌能够通过碱性磷酸酶(APase)的作用以相同的方式从溶解的有机磷分子中获取磷酸盐。当异养细菌的丰度较大时，细菌释放的群体感应信号能够增强束毛藻Apase的活性，提高束毛藻对海水中磷元素的获取能力[26]。这一机制反映出长期以来在寡营养海域中，藻菌间为适应营养物质竞争而进化出的通信模式，这一由群体感应介导的交流方式及其带来的代谢响应可能对海域中的物质循环起着重要的作用。

藻际环境中细菌群体感应的作用还体现在直接影响藻类物质代谢。在研究微生物电池燃料的过程中，将从厌氧菌泥中提取得到的群体感应信号分子应用于小球藻的培养，小球藻的生物量和脂肪含量分别提高了2.25和1.28倍，信号分子还能够加强小球藻的自聚集作用，大大提高了小球藻培养物的收获效率，从而降低藻类生物燃料的生产成本[27]。

2.4 抑藻作用

藻际环境中的细菌大致可分为两类：一类利用藻类释放的营养物质供自身生长繁殖；另一类直接具有抑制藻类生长甚至溶藻的能力，吸收和利用藻细胞破裂释放出营养物质。溶藻菌主要以两种方式溶解藻细胞：一种为直接溶藻，是指细菌直接接触藻细胞的表面或者侵入藻细胞发挥作用；另一种是间接溶藻，是指细菌通过分泌具有溶藻作用的胞外代谢物质或者与藻类竞争营养物质来完成抑藻、溶藻功能。目前报道的多数溶藻细菌的作用方式属于后者。

溶藻菌的溶藻作用具有很强的生态意义，藻华的生消过程是一个典型例子。在赤潮暴发的水体中，溶藻菌与藻细胞在数量上呈现出对应关系，赤潮后期溶藻菌分泌溶藻物质加速了藻华的衰退，但只有当溶藻菌的细胞密度达到一定阈值后，才会发挥出溶藻作用，且溶藻菌的数目随着藻华的消亡而降低[28]。从日本长崎近海海域中分离的一株γ-变形杆菌可以产生灵菌红素，这种色素对赤潮种有强效的溶藻作用，实验发现其灵菌红素的产生受AHLs诱导，这株γ-变形杆菌的溶藻活性表现出明显的细胞丰度依赖性[29]。

多数群体感应信号分子不会直接对藻类产生作用，但有部分长链AHLs分子以及它们在无酶催化情况下发生克莱森重排形成的四胺酸(Tetramic acids)产物能够直接作用于藻类，抑制藻类的生长甚至杀死藻类。oxo-C12-AHL [图2(a)]和oxo-C14-AHL[图2(b)]是一类从海洋细菌中分离得到的长链AHLs分子，它们能够通过影响硅藻细胞周期基因和脂质代谢基因表达抑制硅藻的生长。oxo-C12-AHL的克莱森重排四胺酸产物TA12[图2(c)]可以作用于硅藻光合系统中的光系统Ⅱ，抑制光合电子传递，影响硅藻的生长，甚至杀死藻类[30]。oxo-C14-AHL的重排产物TA14[图2(d)]同样可以通过影响硅藻的光合系统来杀死藻类，且具有比TA12更加显著的杀藻作用[31]。

(a)oxo-C12-HSL;(b)oxo-C14-HSL;(c)TA12;(d)TA14。图2 oxo-C12-HSL、oxo-C14-HSL、TA12和TA14的化学结构[30-31]Figure 2 Chemical structures of oxo-C12-HSL, oxo-C14-HSL, TA12 and TA14[30-31]

2.5 群体淬灭

在藻菌关系中，藻类可以通过抑制细菌群体感应的作用来减少藻际细菌的数量，从而减轻细菌带来的有害作用，这种机制被称为群体淬灭(quorum quenching)。从作用机制方面来看，群体淬灭的方式主要分为两类：一类是通过合成AHLs类似物阻止信号分子与感应蛋白结合，干扰群体感应途径；另一类是通过合成内酯酶来降解信号分子至阈值以下，阻断群体感应[32](图3)。

图3 AHLs介导的群体淬灭过程(基于参考文献[33]修改)Figure 3 The progress of AHLs-mediated quorum quenching (modified from reference[33])

从红藻中分离的卤代呋喃酮与AHLs的结构类似，能够竞争性地结合并且部分降解信号受体LuxR蛋白，减弱细菌的群体感应强度，抑制其群落生长[34]。通过研究19种微藻对细菌群体感应的影响发现其中微绿球藻等藻种均表现出了不同程度的群体感应抑制作用[35]；在小球藻藻菌共培养体系中，研究发现小球藻可以分泌AHLs类似物来干扰细菌的群体感应，显著抑制细菌的生长[36]。底栖硅藻Nitzschiacfpellucida也可以利用同类酶降解信号分子OHHL(N-3-oxohexanoyl homoserine lactone)，应用高效液相色谱-质谱分析可知酶的灭活作用破坏了信号分子中的N-酰基链，从而导致了AHLs分子的失活[37](图4)。利用群体淬灭减小共栖细菌的种群密度，减轻营养物质竞争压力，是藻类在长期进化中获得的生存策略。

图4 OHHL的降解过程(基于参考文献[37]修改)Figure 4 Degradation process of OHHL (mediated from reference[37])

3 藻际环境群体感应的应用

群体感应在陆地环境中已取得了广泛的应用，包括防治植物细菌病害、延缓抗生素治疗中耐药性的产生、净化水质等。在海洋环境中群体感应拥有巨大的应用潜力，包括防护海洋生物污损、防控赤潮等功能，未来还可以从构建藻际环境以促进局部营养元素微循环等角度出发，深入挖掘群体感应系统在生态调控与修复中的应用。

3.1 防护海洋生物污损

海洋生物污损是指海洋中动物、植物或微生物在海洋结构物表面附着、定殖、生长、腐蚀的过程，该过程会造成海洋监测仪器、船只等设备的腐蚀[38]。生物膜的形成是海洋污损发生的首要条件，微生物利用分泌的胞外聚合物等物质吸附在固体表面形成厚度较小的生物膜，待生物膜成熟之后吸引浮游藻类、孢子等附着。在生物膜生长、发育和成熟的过程中，群体感应系统始终发挥着重要的作用，如调节微生物胞外聚合物分泌、调节生物膜内微生物密度等[39]。目前广泛采用的污损防护方法主要有使用杀菌剂涂层、防污涂料等物理、化学手段[40]，未来可以从生物污损与微生物群落及群落间群体感应系统的关系入手，为防护海洋生物污损提供新思路。

3.2 防治赤潮

赤潮是常见的海洋灾害，其发生会对环境、经济造成严重影响。目前已有多种物理、化学方法应用于赤潮的防治，但仍存在成本高、效率低等不足，因此急需开发出一种低成本、高效率、环境友好的防治方法。细菌在海洋环境中分布广泛，与藻类关系密切，部分抑藻、杀藻细菌能够利用群体感应系统调控藻菌间复杂的关系。从微藻中分离得到的具有群体感应系统的细菌，能够明显抑制东海原甲藻、棕囊藻等赤潮藻类的生长[41]。未来开发群体感应或群体感应抑制剂来干扰菌藻关系，抑制藻类生长，避免单一物种过度繁殖引发的生态环境污染，可以为有效防治赤潮提供新的思路。

3.3 生物絮凝微藻

微藻具有种类丰富、生长繁殖快、固碳能力强、抗逆能力强等优势，可以用于生产生物质燃料。但由于微藻细胞微小，常悬浮于水中，因此微藻的采收难度较大、成本较高。相比较于沉降、离心、过滤等采收方法，使用絮凝的方法对藻细胞破坏较小、采收成本低且效率高，但使用有机或金属的絮凝剂会向培养体系中引入二次污染，因此生物絮凝的方法更具优势[42]。已有研究发现细菌分泌的群体感应信号能够加强小球藻的自聚集，还能增加小球藻的生物量和脂肪含量[27]，利用微生物手段调节藻类生理行为，为更加有效地收集藻类生物质能源提供可能。

4 总结与展望

群体感应以化学信号为“语言”，实现了藻菌的跨界沟通，协调藻菌间的复杂联系，维持藻际环境的稳定。对藻际中群体感应的研究已取得了多方进展，包括群体感应信号分子的类型、来源、作用等。对这一系统的研究有助于更深层次地认识微生物在藻际环境中功能的多样性，以及深入理解藻菌在自然环境中的相互作用关系。

群体感应机制是复杂的生物间相互作用过程，目前仍有许多科学问题需要深入研究：(1)藻际中多数细菌分泌的信号分子属于长链AHLs类，研究表明还存在多种类型分子同样发挥着信号作用，包括AI-2类、TDA类等，对这类分子的结构、合成分泌机制以及功能应用等方面的了解仍不够深入。未来通过提高生物传感器检测精度，充分应用色谱-质谱联用技术，可以鉴定更多的群体感应信号分子，完善藻际环境中群体感应系统化学多样性的研究。(2)群体感应在藻际环境中的功能还未完全阐明，部分信号分子的作用不仅仅是介导细胞通信，如TDA在被划分为群体感应信号前首先被定义为藻类释放的抗菌剂。因此，联合多组学分析将更加有助于探明藻际物质对藻菌关系的调节功能，通过跟踪实验中模式生物的转录组和代谢组的变化情况，能够表征藻菌受群体感应影响的代谢路径，更全面地解析藻际环境中微生物群落与宿主藻类的复杂联系。(3)作为海洋中最大的初级生产者和初级消费者，藻类与异养细菌构成了海洋微食物网的重要组分，共同推动海洋碳循环过程。从藻际细菌的群体感应入手，探究有机物质转化过程中藻菌相互作用，可以为进一步理解微型生物碳泵介导海洋碳物质循环的机制提供新思路。