3種微藻藻際環(huán)境生物多樣性及相互作用關系研究進展

侯路路, 李 蕾

(1.中國海洋大學，山東 青島 266003；2.煙臺市海洋經(jīng)濟研究院，山東 煙臺 264000)

引 言

藻際環(huán)境(phycosphere)是以微藻為核心的微生態(tài)結構，微藻生長過程中不斷向周圍釋放多種胞外產(chǎn)物(ECPs)，自藻細胞向外延伸一定距離內(nèi)聚集了以細菌為主的大量微生物，形成了和微藻相互作用、具獨特結構與功能的藻際微生物群落[1]。在藻際環(huán)境選擇壓力下，微藻和藻際微生物群落處于不斷演替的動態(tài)過程中。

藻際微生物具有特異性，同一微藻在不同生境、不同生活周期中的藻際微生物結構也存在差異[3]。微藻新陳代謝過程產(chǎn)生并分泌的ECPs，包括碳水化合物、氨基酸、脂類、維生素、促進和/或抑制因子等[3]，被藻際微生物攝取利用，代謝釋放后為藻類提供營養(yǎng)及必需生長因子。微藻和藻際微生物相互協(xié)調(diào)并互為補充，通過ECPs共同調(diào)節(jié)藻際環(huán)境平衡[4]。

微藻中生物活性物質(zhì)如類胡蘿卜素、多不飽和脂肪酸等，具有抗氧化、消炎等作用，被應用于醫(yī)藥、食品等多個行業(yè)領域。目前已商業(yè)化或具備商業(yè)化前景的微藻有小球藻(Chlorella)、杜氏鹽藻(Dunaliella)和雨生紅球藻(Haematococcus)等。本文就這3種微藻藻際環(huán)境的微生物多樣性特征、相互作用機制以及微生態(tài)調(diào)節(jié)等方面的研究進行了綜述。

1 微藻藻際微生物多樣性特征

單一微藻長期繼代培養(yǎng)過程中，藻際微生物主要為細菌和真菌。

1.1 藻際細菌

藻際細菌與微藻的接觸包括：自由生長在藻際環(huán)境中、依附于微藻細胞表面以及在微藻細胞內(nèi)成為內(nèi)共生菌[5]。目前已報道小球藻藻際細菌在變形菌門(α-, β-, γ-Proteobacteria)、噬細胞菌-黃桿菌-擬桿菌(Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides, CFB)、放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)和疣微菌門(Verrucomicrobia)中均有分布，其中α-變形菌菌屬最為豐富，β-變形菌則為其特有類群。杜氏鹽藻藻際細菌主要有α-Proteobacteria、γ-Proteobacteria和放線菌門菌屬，其中γ-變形菌是優(yōu)勢類群。雨生紅球藻藻際細菌包含變形菌門(α-, γ-Proteobacteria)、CFB、厚壁菌門、放線菌門和浮霉菌門(Planctomycetes)菌屬，α-變形菌是第一代表性類群。其中α-變形菌在3種微藻藻際環(huán)境中均有分布，藍細菌(Cyanobacteria)也在小球藻和雨生紅球藻藻際環(huán)境中成功分離。相關藻際細菌組成見表1。

表1 常見微藻藻際細菌組成

續(xù)表1

1.2 藻棲真菌

藻棲真菌包括單細胞真菌和絲狀真菌，通過釋放抗生素或抗生素類物質(zhì)，以及寄生溶藻方式對微藻產(chǎn)生影響。藻棲真菌在微藻中寄生較為普遍，光自養(yǎng)條件下，C.sorokinianaIAM C-212藻際環(huán)境中的AcremoniumCSSF-1直接附著在藻細胞表面[10]。雨生紅球藻中專一性寄生真菌P.sedebokerensis，可以感染來自不同地理位置的60株雨生紅球藻[19]。相關藻棲真菌組成見表2。

表2 常見微藻藻棲真菌組成

2 藻際環(huán)境中的相互作用

藻際環(huán)境中微藻與微生物群落種間關系包括正相互作用、負相互作用。正相互作用包括互利共生、偏利共生和原始協(xié)作;負相互作用包括競爭、捕食、寄生、偏害等。

2.1 正相互作用

微藻和藻際微生物間的相互作用具有種屬特異性，并通過ECPs形成良好的營養(yǎng)互補。已報道基于藻-菌系統(tǒng)的Pseudomonassp.和Clostridiumthermocellum分別通過甘油三酯[21]和甲烷氫[22]參與C.vulgaris生物質(zhì)和生物燃料的生產(chǎn)。在1∶1共培養(yǎng)體系下，Halomonassp. B3促進D.salinaDs-SXYC-2生長及代謝產(chǎn)物累積，鹽藻多糖、蛋白質(zhì)、總脂含量分別比對照組增加了34.8%、71.2%和37.6%[14]。

微藻和藻際微生物通過調(diào)整新陳代謝以滿足彼此需要。AgrobacteriumtumefaciensWB-1促進了C.salina對As(III)的富集和形態(tài)轉(zhuǎn)化[23]。異養(yǎng)條件下，C.vulgaris與Azospirillumbrasilense共固定能增加脂肪酸和總脂質(zhì)的積累[24]。Halomonassp.產(chǎn)生的Fe(III)載體提升了D.bardawil的Fe攝取水平，促進其在缺鐵條件下的生長[25]。PaecilomyceslilacinusTD16的胞外蛋白和多糖都可促進H.pluvialis生物量和脂類含量增加[26]。

2.2 負相互作用

在營養(yǎng)限制條件下，藻際微生物和微藻因生態(tài)位重合，對現(xiàn)有營養(yǎng)物質(zhì)的競爭，使微藻生長減緩。藻際細菌寄生時，微藻細胞在葡萄糖苷酶、幾丁質(zhì)酶、纖維素酶等酶作用下裂解。病原真菌P.sedebokerensis在感染H.pluvialis的早期分泌多糖水解酶類降解細胞壁多糖，穿透其特殊細胞壁結構，釋放甘露寡糖進一步促進真菌寄生過程[20,26]。

3 藻際環(huán)境中的微生態(tài)調(diào)節(jié)

3.1 群體感應信號

群體感應信號(quorum sensing, QS)是一種基于微生物密度的基因表達調(diào)控方式，通過合成并釋放AI信號分子，微生物中的相關基因啟動并表達，進而調(diào)控種群密度、生物膜發(fā)生(生態(tài)位提供)、毒素產(chǎn)生(溶藻行為)以及碳氮等營養(yǎng)物質(zhì)加工轉(zhuǎn)化等生物行為[27]。藻際微生物ECPs通過信號分子影響藻際環(huán)境，QS可使微藻分泌的ECPs明顯增多，研究最多的是高絲氨酸內(nèi)酯AHLs[28]。

C.saccharophilaCCAP211/48在2 h培養(yǎng)過程中持續(xù)抑制了VibrioharveyiJMH612 AHL調(diào)節(jié)的發(fā)光性[29]。營養(yǎng)饑餓下C.pyrenoidosaNCIM-2738的葉黃素通過與LasI、LasR、RhlI和RhlR蛋白質(zhì)對接，參與QS途徑生物膜形成[30]。作為抗生素和細胞-細胞通訊的信號分子，Pseudoalteromonaspiscicida釋放的高濃度HHQ，接觸D.tertiolecta時，未觀察明顯生長速度變化[31]。

3.2 微食物環(huán)

微食物環(huán)(microbial loop)是指異養(yǎng)細菌將有機物分解利用，轉(zhuǎn)化為自身顆粒有機物(次級生產(chǎn)力)，后經(jīng)原生動物攝食進入主食物鏈[20]。異養(yǎng)細菌既是分解者，也是生產(chǎn)者。

藻際環(huán)境中微藻和藻際微生物形成物質(zhì)微循環(huán)，ECPs中的多糖被微生物降解為溶解有機碳(DOC)，通過擴散和礦化作用進一步轉(zhuǎn)化為顆粒有機碳(POC)。不易被分解的多糖可作為沉積物碳庫的重要組成，形成碳封存和碳匯。ECPs中的透明胞外聚合顆粒物(TEP)由溶解性有機碳在非生物力作用下自發(fā)凝聚形成，是DOC轉(zhuǎn)為POC的非生物途徑[32]。TEP具有高的碳氮比，在很大程度上影響顆粒性有機碳庫和微食物環(huán)結構。C.vulgaris和D.tertiolecta的DOC平均最大釋放量分別占總有機碳的6.4%和17.3%，微藻光合作用的固定有機物流失到藻細胞周圍，反過來支持了細菌生物量的顯著增長[33-34]。

4 總結

對于微藻藻際環(huán)境的研究，包括藻際環(huán)境的組成，微生態(tài)、微循環(huán)的結構與功能，微藻和藻際微生物的相互作用等，目前已取得了多方面的進展?；谖⒃逶咫H微生物的生態(tài)多樣性，未來可著眼的研究方向包括：(1)通過藻際環(huán)境ECPs，分析微食物環(huán)中物質(zhì)循環(huán)降解和聚合的作用，以及微藻和微生物化學信號物質(zhì)及作用機理，揭示碳氮等生源要素物質(zhì)活性和生物微生態(tài)位特征；(2)關注不同培養(yǎng)條件和不同生活周期中的藻際環(huán)境變化，結合組學和群落分析法相關技術，對特定藻類不同的藻際微生物結構和成因有更深了解；(3)結合多種技術方法培養(yǎng)無菌化藻種，分析微藻病害機理和防御機制，揭示共生微生物和寄生微生物、藻際微生物和游離微生物的關聯(lián)作用機制，在互利共生基礎上構建藻-菌生物互作研究平臺。