藻際微環(huán)境中藻體與微生物相互作用

李 蕓，劉發(fā)龍，王巧晗，宮慶禮

(中國海洋大學(xué) 水產(chǎn)學(xué)院，山東 青島 266003)

水生環(huán)境中主要初級生產(chǎn)力都是藻類貢獻(xiàn)的，其在水生環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)和能量流動等方面的作用都極為重要；藻類可作為養(yǎng)殖動物餌料；可食用、藥用[1]；而且其代謝產(chǎn)物如蝦青素[2]、巖藻黃素[3]、海藻多糖類化合物[4]等，都具有巨大的應(yīng)用價值；此外脂肪含量較多的微藻種類有望解決能源枯竭等問題[5]，有些藻類在去除重金屬方面也具有重要的生態(tài)學(xué)功能[6]。

存在于水生生態(tài)系統(tǒng)的異養(yǎng)微生物對于自養(yǎng)藻類來說具有極為重要的意義，其可以通過多種轉(zhuǎn)化途徑將有機(jī)物分解并供給藻類利用，因此對于藻類而言異養(yǎng)微生物是不可或缺的生產(chǎn)者。自然界中的微生物分布廣泛且種類極多，其生長迅速、易突變，具有遺傳多樣性的特點(diǎn)[7]，因此異養(yǎng)微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的具體作用和功能也不盡相同。自然狀態(tài)下的藻類與異養(yǎng)微生物密不可分，特別是微藻[8]。藻類與微生物的互相作用途徑有共棲、共生、寄生等[9]。根據(jù)細(xì)菌在藻體生長環(huán)境中的分布特點(diǎn)，可以分為自由地在藻際環(huán)境中生活、 黏附在藻類細(xì)胞的表面、存在于藻類細(xì)胞內(nèi)的細(xì)菌[10]。

在20世紀(jì)人們對根際微生態(tài)學(xué)的探索[11]，開啟了植物與微生物關(guān)系的研究。近些年來，藻-菌關(guān)系的研究逐漸被人們重視。人們嘗試從大型海藻體表分離細(xì)菌、真菌，研究其對藻體的具體作用，從而降低藻體發(fā)病率，提高養(yǎng)殖藻類的產(chǎn)量[12]；崔龍波等人利用微藻與共棲細(xì)菌聯(lián)合體處理廢水，且效果顯著[13]；Luz E.Gonzalez等將小球藻與固氮細(xì)菌一起固定培養(yǎng)來提高小球藻的特定生長率[14]；張國海等利用益生菌與餌料微藻制成的膠球以調(diào)控養(yǎng)殖水體的水質(zhì)情況[15]；Tadashi Toyama等人在其實(shí)驗(yàn)中利用廢水中的原生細(xì)菌促進(jìn)了三種微藻的生長[16]。人們還通過一系列的研究實(shí)驗(yàn)證實(shí)了異養(yǎng)細(xì)菌通過多種多樣的方式對藻類的生長、形態(tài)發(fā)育、孢子的萌發(fā)以及移植產(chǎn)生影響[17]。也正是因?yàn)樵?菌之間復(fù)雜關(guān)系的存在，才形成了更為復(fù)雜、穩(wěn)定的水生環(huán)境群落。總之，藻-菌共棲體系具有多樣的存在形式和非常復(fù)雜的關(guān)系。研究藻-菌互作機(jī)制，并利用藻-菌互作機(jī)制造福人類已成為當(dāng)下人們研究的熱點(diǎn)，本文重點(diǎn)總結(jié)了藻類和藻際微生物的關(guān)系，試圖為藻-菌關(guān)系的深入研究以及實(shí)際應(yīng)用與實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 藻際微環(huán)境

藻類在生長過程中，產(chǎn)生的有機(jī)物不僅用于滿足自身需求，有一部分也會釋放到藻體表面及外界環(huán)境中，因此在藻體周圍會形成一種明顯區(qū)別于外界大環(huán)境的小環(huán)境，人們將其定義為“藻際微環(huán)境”[18]。由于藻際微環(huán)境中藻體分泌物的存在，勢必會吸引種類繁多的異養(yǎng)微生物在此生長繁殖，于是自然而然地便會形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣的微生物群落，稱為“藻際微生物[19]”。也正是因?yàn)榇罅坑袡C(jī)物的存在，使得藻際微環(huán)境中的疏水性信號分子得以濃縮富集，因此藻際微環(huán)境相對穩(wěn)定且復(fù)雜。因?yàn)樵咫H微環(huán)境的獨(dú)特性，許多人認(rèn)為其中可能蘊(yùn)藏著較為有價值的新物種。同時，藻際微環(huán)境中的微生物也具有特異性和多樣性[20]。有很多研究都表明，存在于藻際微環(huán)境中的微生物群落組成明顯區(qū)別于水生大環(huán)境中的微生物群落結(jié)構(gòu)[21]。而且有研究發(fā)現(xiàn)不同藻類以及相同藻類不同生長階段的微生物菌群結(jié)構(gòu)也是特異的[22]。因不同藻類對無機(jī)氮源、碳源等營養(yǎng)物質(zhì)的利用順序、轉(zhuǎn)化途徑及產(chǎn)等存在差異，種類各異的微生物也會通過硝化、氨化等不同的作用將有機(jī)物降解成不同的無機(jī)碳源、氮源等[23]，如此，經(jīng)過長時間的互相選擇、發(fā)展，藻體與存在于藻際微環(huán)境中的微生物既相互促進(jìn)，又相互抑制、競爭，各取所需，并協(xié)同發(fā)展[24]。最終多樣的藻際微環(huán)境衍生了多樣的藻際微生物群落。

有研究表明某些種類的藻體總是與確定的微生物存在聯(lián)系， 比如人們發(fā)現(xiàn)甲藻中的錐狀斯氏藻(Scrippsiellatrochoidea)和亞歷山大藻(Alexandriumcatenella)，硅藻中的圓海鏈藻(Thalassiosirarotula)和中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)，藍(lán)藻原綠球藻(Porhcloorcocussp.)總是與玫瑰桿菌(Roseobacterlineage)和黃桿菌(Flavobacteriumcolumnare)之間存在密切關(guān)聯(lián)[25-26]。Riquelm等發(fā)現(xiàn)星桿藻(Asterionellajaponica)對假單胞菌(Pseudomonas)022有專一的吸引作用，推測是因?yàn)樵弩w能向外釋放溶解態(tài)氨基酸；Riquelm等還指出硼酸硅藻(Asterionellaglacialis)所產(chǎn)生的胞外產(chǎn)物對細(xì)菌的生長也存在特異性的作用[27]。此外，藻際微生物的抑藻活性也有很顯著的種屬特異性，比如 Fukami等人研究發(fā)現(xiàn)黃桿菌(Flavobacteriumsp.)對長崎裸甲藻(Gymnodiniumnagasakiense)具有明顯的抑制作用，而對在其實(shí)驗(yàn)中的其他藻類沒有表現(xiàn)出顯著的抑制作用[27]，許多研究都發(fā)現(xiàn)與不同藻類相關(guān)的微生物都是特定的菌群，人們推測這些相應(yīng)的微生物群落有開啟和維系藻-菌密切關(guān)系的機(jī)制。

2 藻-菌的相互關(guān)系

藻體與藻際微生物之間的關(guān)系是極為復(fù)雜的，藻際環(huán)境中的藻體和細(xì)菌，既互利共生，又有相互拮抗[28]。藻-菌關(guān)系不僅是營養(yǎng)方式的互補(bǔ)，我們可將其關(guān)系總結(jié)為以下幾點(diǎn)：基本營養(yǎng)物質(zhì)依賴、活性物質(zhì)相互作用、信息交流。正是存在一系列的相互作用才使藻-菌聯(lián)系緊密，形成了復(fù)雜而穩(wěn)定的微生態(tài)系統(tǒng)。

2.1 基本營養(yǎng)物質(zhì)的互補(bǔ)

營養(yǎng)物質(zhì)的互補(bǔ)從根本上取決于藻細(xì)胞和藻際微生物營養(yǎng)方式的互補(bǔ)，因?yàn)樵?菌在生長繁殖中所需的基本營養(yǎng)物質(zhì)相互依賴，這也是藻-菌最為基礎(chǔ)的關(guān)系[29]，也正是因?yàn)檫@一基本的關(guān)系使得藻-菌的生存更為長久。

自然界中大部分藻類是光合自養(yǎng)型生物[30]。首先，藻類在生長過程中會分泌大量胞外產(chǎn)物，其中部分可以被異養(yǎng)微生物生長繁殖利用，異養(yǎng)微生物可將大分子的有機(jī)物質(zhì)分解為小分子物質(zhì)或微量元素重新被藻類利用。其次，藻類光合作用產(chǎn)生的大量的溶解氧會顯著增強(qiáng)藻類的光呼吸作用，對有益藻類的生長來說是不利的，但若有異養(yǎng)細(xì)菌的存在，因其生長繁殖會消耗溶解氧并釋放CO2，使周圍形成一種還原性的微環(huán)境，有研究表明這種環(huán)境更加有利于藻類的生長[31-32]。有研究指出在由根瘤菌屬(Rhizobiumsp.)和小球藻(Chlorellavulgaris)組成的共棲體系中，細(xì)菌能夠分解有機(jī)物并提供給小球藻合適的氮源，相應(yīng)的，藻體能為細(xì)菌提供可利用的碳源[33]；另也有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)固氮藍(lán)細(xì)菌UCYN-A可為定鞭藻類(Prymnesiumparvum)提供固定的碳源[34]。這一最基礎(chǔ)的藻-菌關(guān)系可能會影響到藻體群落的組成和生產(chǎn)力，同時也造就了藻際微環(huán)境中所形成的微生物優(yōu)勢種群。但是，不排除有些情況下某些共生菌可能會與異養(yǎng)藻細(xì)胞爭奪營養(yǎng)物質(zhì)。例如微囊藻(MicrocystisKuetzing)死亡的藻體及分泌物均可被分解為可供自身利用的碳源，但由于芽孢桿菌(Bacillus)的大量生長繁殖又會產(chǎn)生與藻體爭奪氮、磷營養(yǎng)鹽的情況，以至于影響微囊藻(MicrocystisKuetzing)的生長[35]，另外也有一些種類的異養(yǎng)微藻可以通過攝食作用來捕殺細(xì)菌，如夜光藻(Noctilucascintillans)[36]。

2.2 產(chǎn)生活性物質(zhì)作用于彼此

藻類和細(xì)菌在生長繁殖過程中會分泌種類豐富的代謝產(chǎn)物，如酶類、多糖、多肽等，以及促生長因子、抑制生長因子等[37]。有研究表明，產(chǎn)生維生素類物質(zhì)的細(xì)菌能夠改善綠藻維生素缺乏的癥狀[38]。另有研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌可以利用藻類釋放的表面營養(yǎng)物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為酶類及生長因子等來調(diào)節(jié)藻體的生長狀況[39]；藻類促生菌中的有些種屬能顯著改善藻體應(yīng)對脅迫的耐受程度，而且有些細(xì)菌能釋放抗菌物質(zhì)和水解酶殺死對藻體有害的生物[40]。在某些藻-菌共棲體系中，相比于單獨(dú)培養(yǎng)的藻和細(xì)菌，胞外酶、某些特異酶、生長因子等物質(zhì)的分泌量會大大增加。有研究顯示赤潮藻類與某芽孢桿菌(Bacillus)共培養(yǎng)能顯著提高兩者胞外酶總活性[41]。其次，有些細(xì)菌還可將 Fe3+還原更容易被藻體利用的的 Fe2+[42]。相反有些細(xì)菌能夠釋放一些溶藻物質(zhì)，如可直接分泌酶類溶解藻細(xì)胞，也可通過釋放一些非特異性的毒素來殺死藻類[43]，細(xì)菌的這種溶藻行為就是典型的藻-菌拮抗的例子。同樣的，有些藻類產(chǎn)生的多種活性物質(zhì)可抑制細(xì)菌的生長繁殖[44]。目前，研究人員已證實(shí)某些海洋微藻具備產(chǎn)生抗菌活性物質(zhì)的能力[45]，該發(fā)現(xiàn)有望應(yīng)用于對有害微生物的生物防治中。

2.3 藻-菌共棲體系中新物質(zhì)的生成

有許多研究都發(fā)現(xiàn)，藻際微環(huán)境的共生體系中會使藻-菌擁有合成其單獨(dú)不能合成的物質(zhì)的能力，即藻-菌相互作用可以共同合成新的物質(zhì)。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)玫瑰桿菌與顆石藻共培養(yǎng)時菌體會產(chǎn)生對顆石藻有毒性的玫瑰毒素[46]，推測這可能與玫瑰桿菌排除異己，以獲得自身的最大生長有關(guān)。Ashan等人發(fā)現(xiàn)巴西固氮螺菌(Azospirillumbrasilense)不僅能促進(jìn)藻體生長，而且對于藻體中脂質(zhì)含量及脂質(zhì)豐富度都有顯著影響[47]。在 Lin- Lan Zhuang設(shè)計的以 ssPBR為反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)組，用細(xì)菌及其產(chǎn)生的 EPS涂層的棉布載體上生長的附著微藻的單細(xì)胞干重，細(xì)胞化學(xué)組成、放氧活性比起對照組都有顯著的變化[48]。Ya Wang等的數(shù)據(jù)表明，麥?zhǔn)辖惶鎲伟?AzospirillumMacleodii)對鹽生杜氏藻(D.salina)的培養(yǎng)系統(tǒng)中砷的毒性、吸收和形成有強(qiáng)烈的影響，且能將砷轉(zhuǎn)化為毒性較小的價位[49]。

3 信息交流

3.1 信號傳導(dǎo)

頻繁的營養(yǎng)物質(zhì)交換是菌藻共生的基礎(chǔ)，而信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是藻-菌互作的另一種方式。在這種情況下，相互作用的物質(zhì)不是作為營養(yǎng)物質(zhì)，而是被用于觸發(fā)藻-菌彼此體內(nèi)的一系列反應(yīng)。這些相關(guān)化合物通常是一些是復(fù)雜、特定的分子；反應(yīng)發(fā)生以后，會改變藻、菌的生活狀態(tài)及行為；在有些情況下還有利于兩者抵御不良的因素[50]。研究發(fā)現(xiàn)許多種類的微生物都能合成并釋放被稱為(autoinducer AI)的信號分子[51]。其濃度通常與微生物密度成正比，當(dāng)其達(dá)到一定濃度時，菌體中相關(guān)基因會被信號分子啟動并表達(dá)，由此調(diào)控細(xì)菌的生物行為，如分泌毒素、建立生物膜 、產(chǎn)生抗生素、生成孢子、產(chǎn)熒光等，菌體的這種調(diào)控方式被稱為群體感應(yīng)調(diào)節(jié)(quorum sensing QS)[52]。因藻類與細(xì)菌長期共存于同一環(huán)境，在漫長的進(jìn)化過程中，細(xì)菌 QS信號分子也可以被真核植物宿主感應(yīng)，因此其可能是植物與微生物跨界交流的重要途徑[53]。目前已有研究顯示微生物對藻類的作用受其QS信號的調(diào)節(jié)[54]。QS介導(dǎo)的菌群行為對藻類的影響主要是影響生態(tài)位的提供(生物膜的形成)、藻體孢子的成熟與釋放、營養(yǎng)物質(zhì)的加工與轉(zhuǎn)化(碳、氮、硫、鐵)、細(xì)菌的溶藻行為等[55]。例如，玫瑰桿菌(Roseobacter)的分離株魯杰氏菌屬(Ruegeria)TM1040會在費(fèi)氏藻(Feldmannia)上形成的生物膜，不僅能夠促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的富集，而且還有助于藻體的防御、抗污損作用[56]。相反，還有一些藻體可通過干擾細(xì)菌QS系統(tǒng)，來抑制溶藻細(xì)菌的數(shù)量以減少對自身的傷害[57]?，F(xiàn)階段已有研究證明藻體能夠產(chǎn)生應(yīng)對微生物QS的物質(zhì)，用以抑制QS信號的產(chǎn)生或者減弱QS信號的影響[58]。其中曾惠等也證明螺旋藻提取物是通過抑制信號分子誘導(dǎo)的群體感應(yīng)現(xiàn)象來抑制紫色色素的產(chǎn)生與生物膜的形成的[59]。其次，人們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌大量增殖所引起的食物腐敗變質(zhì)也是由細(xì)菌的QS信號介導(dǎo)的，因此人們試圖從海洋藻體中提取QS抑制劑及類似物來預(yù)防食物的腐敗。

3.2 基因交流

藻-菌之間除了跨膜的信息傳導(dǎo)還有更深層次的基因上的交流。 由于藻-菌長期共棲的優(yōu)勢促進(jìn)了彼此的共同進(jìn)化，使得藻-菌間的水平基因存在轉(zhuǎn)移，在代謝機(jī)制上也會出現(xiàn)補(bǔ)充和簡化，使得藻-菌關(guān)系更為密切。研究已發(fā)現(xiàn)在亞硫酸桿菌(Sulfitobater)和硅藻(Diatom)的共生系統(tǒng)中，雖然兩者體內(nèi)都含有合成色氨酸的基因，但是根據(jù)轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果表明，共生體系中亞硫酸桿菌合成色氨酸的基因相比于單獨(dú)培養(yǎng)的菌株來說會有所下調(diào)，而硅藻中參與合成 IAA的色氨酸的相關(guān)基因上調(diào)[60]。Koester等采用基因組分析的方法，通過找到藻-菌進(jìn)化的分子證據(jù)，證實(shí)布氏雙尾藻(Ditylumbrightwelli)中的基因數(shù)目有部分來自于細(xì)菌[61]，其中最具代表性的基因元件是在參與光合作用的元件，包括捕光蛋白、光敏色素等[62]。造成這種結(jié)果的原因也許是藻類在正選擇壓力下的一種適應(yīng)機(jī)制；其次人們廣泛認(rèn)為大部分的真核藻類是由藍(lán)細(xì)菌通過原發(fā)性內(nèi)共生的方式進(jìn)化而來的[63]，即藍(lán)細(xì)菌會影響真核藻類的進(jìn)化。還有研究證明藻類可以分泌能夠刺激細(xì)菌 DNA 合成的活性物質(zhì)[64]，以上都屬于藻-菌在分子水平上的交流。

4 總結(jié)

自然界中，藻-菌共棲是極為普遍的。這種共棲關(guān)系根據(jù)人們的需求可以簡單地區(qū)分為有價值的和無價值的。其中有價值的藻-菌關(guān)系可大體分為以下幾種：分離有益于經(jīng)濟(jì)藻類生長的藻際微生物，實(shí)現(xiàn)更高效的藻類規(guī)?；囵B(yǎng)；將微生物的溶藻作用應(yīng)用在治理赤潮藻類中；利用藻體與致病菌的競爭作用實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖池塘的健康養(yǎng)殖，降低養(yǎng)殖動物的發(fā)病率，提高養(yǎng)殖收益；利用藻-菌復(fù)合體改善養(yǎng)殖水體及城市廢水處理，減少繁瑣的污水處理環(huán)節(jié)，節(jié)省成本，提高處理效率；將細(xì)菌的絮凝作用應(yīng)用于微藻收獲環(huán)節(jié)，節(jié)省微藻培養(yǎng)成本，縮減收獲步驟，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述通過消除有價值藻-菌關(guān)系中的有害微生物的影響，擴(kuò)大有益微生物的作用，實(shí)現(xiàn)藻-菌關(guān)系的最大化應(yīng)用是近來的研究熱點(diǎn)。并且因藻、菌都是生物體，生長繁殖較快，從實(shí)驗(yàn)階段到實(shí)際應(yīng)用階段周期較短，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)階段值得人們深入研究的藻-菌關(guān)系很多，但是海洋藻類中藻體與藻際微生物的作用機(jī)理涉獵甚少。不可否認(rèn)該項研究工作繁重復(fù)雜，挑戰(zhàn)巨大，但不管是對于生態(tài)養(yǎng)殖以及環(huán)境保護(hù)來說都可謂是巨大的機(jī)遇。現(xiàn)階段，分子生態(tài)學(xué)、生物信息學(xué)、高通量測序等方法的發(fā)展，使得人們可以在分子水平上探索細(xì)菌與藻體互作的化學(xué)信號物質(zhì)及作用機(jī)理，并通過系統(tǒng)發(fā)生分析探究藻際環(huán)境的微生物群落，使人們能對共棲藻-菌進(jìn)行原位分析；其次，日漸成熟的群落分析法和組學(xué)技術(shù)，能更全面地較方便地揭示微生物的活動，以更好地理解藻類共生菌的結(jié)構(gòu)和成因。但就目前的條件來說，還有很多現(xiàn)實(shí)的困難，比如：游離在藻際環(huán)境中的微生物穩(wěn)定性較差，實(shí)際操作存在偶然性；野生條件下，細(xì)菌與藻體的關(guān)系不容易測定研究，而且如果單單是人工培養(yǎng)所形成的藻際微生物的群落結(jié)構(gòu)很可能不同于自然環(huán)境；雖然各種方法發(fā)展迅速，但可培養(yǎng)的異養(yǎng)微生物種類極其有限，因此對于微生物在藻際環(huán)境中的確切生理功能還不能較好地了解，想要更為準(zhǔn)確地研究藻際微環(huán)境中的微生態(tài)結(jié)構(gòu)還需要更為成熟的方法、工藝流程等。