研究背景
全球范围内有害藻华频发，范围不断扩大，危及生态系统和饮用水安全，是广泛关注的水生态问题。群体感应 (Quorum Sensing，QS) 是细菌等微生物通过感知达到或超过特定浓度阈值的信号分子，调节菌群细胞的功能基因表达，从而改变细菌及菌群行为的系统。微囊藻是常见的水华藻种，探究QS在微囊藻水华形成过程中的调控作用成为研究热点。近年来，关于微囊藻QS信号分子识别鉴定及其生理作用等方面已多有报道，然而对于该领域研究进展和展望的综述较少。
近期中国农业大学资环学院李洁明课题组于 Microorganisms 期刊发表题为“Cyanobacterial bloom formation by enhanced ecological adaptability and competitive advantage of Microcystis— non-negligible role of quorum-sensing”的综述文章，系统总结了N-酰基高丝氨酸内酯 (N-acyl homoserine lactones，AHLs) 作为微囊藻主要信号分子介导QS系统在藻细胞形态、生理适应性、营养与能量代谢活性和细胞聚集对藻群体形成中的调控作用，讨论了藻细胞中AHLs介导QS系统的遗传信息、通路以及AHLs结构类似物在QS淬灭 (Quorum Quenching，QQ) 中的应用前景，对后续研究方向进行了展望。
图1. 图片摘要
研究过程与结果
1. 微囊藻QS发现及其信号分子识别
QS是通过信号分子来感知细胞密度并调节相关种群特征，即当细胞密度达到某一阈值时，特定功能基因表达改变，从而影响表型性状。为更好理解藻华形成机制，进而采取有效防控策略，诸多研究致力于寻求微囊藻细胞存在QS系统的证据。
从“藻细胞密度依赖型调控行为的认定”和“信号分子的发现识别”两方面证实微囊藻细胞存在QS系统。首先，微囊藻诸多生理行为与其细胞密度密切相关，例如微囊藻毒素 (microcystins，MCs) 的产生和微囊藻细胞密度存在显著相关性；其次，已有报道从微囊藻培养液中发现了AHLs，证实了AHLs可由微囊藻合成并分泌，而AHLs浓度随微囊藻细胞密度变化而变化，当细胞密度达到阈值时，AHLs会发生明显的积累。
图2. 微囊藻群体形成过程
2. AHLs在调节微囊藻生理特征和群体形成中的作用
诸多报道显示，无论是内源还是外源性AHLs，其对微囊藻的调控作用体现在四方面，分别是：藻细胞形态、生理适应性、营养与能量代谢活性和群体形成。此外，研究发现不同分子结构的AHLs对微囊藻细胞的影响各异。例如，苯基、氧代基、醚基和溴化物取代基的存在使水相MCs含量降低，而亲水性和侧链长度不同的AHLs似乎对MCs的合成及分泌产生了不同的影响，这对通过干预QS调控藻华具有重要意义。
图3. 内源AHL对微囊藻的调控作用
3. AHLs介导的微囊藻QS的遗传信息和通路
业已证实，微囊藻细胞可以表达与AHLs合成酶和裂解酶同源的蛋白，分别进行AHLs的合成和降解，以实现AHLs水平的自我调节，因此本文提出微囊藻细胞可能存在与革兰氏阴性菌十分相似的QS信号通路，即QS系统合成的AHLs经由AHLs受体感知而激活特定功能基因转录，以此调节微囊藻的特定行为。
图4. 微囊藻中可能存在的QS系统
4. AHLs结构类似物的QQ效应及其应用前景
QQ是通过干扰或阻断QS效应影响细胞生理特征行为。研究发现，一些编码AHL分解酶的aiiA同源基因 (slr1259) 可在微囊藻中表达，表明微囊藻中可能存在与革兰氏阴性菌相似的QQ系统，由此本文提出微囊藻中可能存在QQ机制，即微囊藻存在三种途径阻断QS，包括抑制信号分子的产生、促进信号分子降解和抑制信号分子与感应受体结合。此其他微生物产生的AHLs和一些植源物质 (如，香兰素 (vanillin)) 等也可能抑制微囊藻QS的发生。
图5. 微囊藻可能存在的QQ机制
研究总结
本文系统综述了微囊藻QS和QQ的生理作用及信号通路。微囊藻分泌AHLs作为QS信号分子调节其种群特征和行为。在QS系统中AHLs浓度随细胞密度增加，当达到特定阈值即可以激活特定功能基因表达。微囊藻QS系统通过提高细胞密度、细胞浮力、胞外聚合物和MCs分泌、营养与能量代谢活性以及群体形成来促进微囊藻的形态和生理适应性，进而加强微囊藻的生存和竞争优势。此外，AHLs结构类似物的分子结构差异对微囊藻的生理和行为产生不同的调节作用，尤其是某些特定细菌分泌的类似物可对微囊藻QS产生抑制或淬灭作用。这表明应用QS抑制剂来干扰QS信号通路可能是实现藻华有效控制的新策略。本文加强了对微囊藻水华形成机制、新防控策略和相关研究方向的理解。
原文信息
Zhang, Z.; Li, J. Cyanobacterial Bloom Formation by Enhanced Ecological Adaptability and Competitive Advantage of Microcystis—Non-Negligible Role of Quorum Sensing. Microorganisms 2024, 12, 1489. https://doi.org/10.3390/microorganisms12071489
作者介绍
本文通讯作者为中国农业大学李洁明副教授，第一作者为中国农业大学张梓青。
李洁明 副教授 中国农业大学
博士生导师，主要从事蓝藻水华生态调控及其污染修复机理与技术研发、资源转化与高效利用等研究。作为项目负责人，先后主持国家自然科学基金项目3项、国家重点研发计划项目子课题2项、北京市自然科学基金面上项目、教育部项目等15项科研项目。近年来围绕蓝藻水华生态修复、农田土壤污染防控、资源转化等研究方向开展研究，以第一、通讯作者于Water research、Bioresource Technology、Science of the Total Environment、Environmental Pollution、Journal of Environmental Management等期刊发表论文30余篇，单篇最高被引190余次，以第一发明人获授权专利7项。
Microorganisms 期刊介绍
期刊主题涵盖微生物学的各个研究领域，主要发表环境、植物、食品、肠道、医药、技术等微生物相关领域的学术文章。现已被 SCIE (Web of Science)、PubMed (NLM)、Scopus 等重要数据库收录。
2023 Impact Factor: 4.1
2023 CiteScore: 7.4
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