細(xì)菌膜囊泡在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的研究現(xiàn)狀及展望

趙晶 ，賈宸政，王凱，張貝貝

( 1. 廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361102；2. 廈門市海灣生態(tài)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361102)

1 引言

膜囊泡的提出，可以追溯到150年前達(dá)爾文“泛生論”中提到的細(xì)胞能產(chǎn)生攜帶遺傳物資的“微芽”[1]，但此發(fā)現(xiàn)因缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)而被否定。20世紀(jì)60年代，首次觀察到的源于革蘭氏陰性細(xì)菌的外膜囊泡，也因?qū)ι锕δ苷J(rèn)識(shí)不足而被認(rèn)為是細(xì)胞不平衡生長與排泄機(jī)制的產(chǎn)物[2-3]。直到1975年，DeVoe和Gilchrist[4]在感染腦膜炎球菌（Neisseria meningitidis）患者的脊髓液中發(fā)現(xiàn)了膜囊泡，膜囊泡才與細(xì)菌感染聯(lián)系在一起。隨后，人們針對(duì)細(xì)菌膜囊泡的發(fā)生與形成、結(jié)構(gòu)與功能逐漸開展研究。2007年，Valadi等[5]首次發(fā)現(xiàn)真核生物的細(xì)胞外囊泡能夠攜帶、轉(zhuǎn)移遺傳物質(zhì)并介導(dǎo)細(xì)胞間通訊，將細(xì)胞外囊泡的研究推向新的高度。至今，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為細(xì)胞外囊泡的釋放是原核生物與真核生物的活細(xì)胞所共有的保守機(jī)制[6]。細(xì)胞外囊泡根據(jù)釋放它們的物種分類具有不同的命名，通常而言，外泌體和微囊泡用于真核生物；膜囊泡、膜泡、外膜囊泡和外膜泡則多適用于細(xì)菌和古菌等生物（EVpedia， http://EVpedia.info）。

細(xì)菌膜囊泡是一類由磷脂雙分子層組成的，大小通常介于20～400 nm，攜帶復(fù)雜蛋白質(zhì)（細(xì)胞質(zhì)/周質(zhì)/外膜蛋白）、核酸（RNA/DNA/質(zhì)粒）、毒素因子、信號(hào)分子甚至噬菌體等重要信息物質(zhì)的囊泡[7-8]。細(xì)菌膜囊泡的生物發(fā)生機(jī)制主要是細(xì)胞內(nèi)/外膜出芽和細(xì)胞爆裂溶解，且不同的發(fā)生途徑可能導(dǎo)致囊泡具有不同結(jié)構(gòu)與組成成分[8-9]（圖1）。對(duì)于革蘭氏陰性菌而言，不平衡的肽聚糖生物合成或外膜疏水分子的插入可導(dǎo)致外膜出芽[10-13]。由于內(nèi)膜保持完整，外膜凸起形成的單層膜囊泡并不具有細(xì)胞質(zhì)組分[8]。而另一種方式，細(xì)胞在DNA損傷時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)溶素等作用下，爆裂產(chǎn)生的膜碎片通過聚集并自我組裝，形成內(nèi)含隨機(jī)細(xì)胞質(zhì)成分的內(nèi)外膜囊泡和爆炸性外膜囊泡[14-15]。對(duì)于革蘭氏陽性菌及分枝桿菌而言，細(xì)胞壁的剛性結(jié)構(gòu)成為囊泡釋放的阻礙。在這種情況下，內(nèi)膜起泡后可能通過膨脹壓力、細(xì)胞壁修飾酶和微管蛋白等超微結(jié)構(gòu)穿過細(xì)胞壁，形成包含細(xì)胞質(zhì)組分的細(xì)胞質(zhì)膜囊泡[16]。同時(shí)，內(nèi)溶素等因素也能導(dǎo)致革蘭氏陽性菌細(xì)胞發(fā)泡死亡從而產(chǎn)生囊泡[17]。

圖1 細(xì)菌膜囊泡的生物發(fā)生Fig. 1 Biogenesis of bacterial membrane vesicles

2013年，Rothman等因揭秘真核生物外泌體的細(xì)胞運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制問鼎諾貝爾獎(jiǎng)，使細(xì)胞外囊泡的研究成為熱點(diǎn)。而同樣作為一種生物納米顆粒，原核生物膜囊泡在生物體的生命活動(dòng)中扮演著多重角色，包括將毒力因子傳遞到宿主細(xì)胞[18-19]、提高母細(xì)胞獲取營養(yǎng)物質(zhì)的幾率[20-21]、介導(dǎo)種間或種內(nèi)基因水平轉(zhuǎn)移[22-23]、觸發(fā)微生物群體感應(yīng)[24-25]、驅(qū)動(dòng)生物膜形成[26-27]、減小噬菌體與抗菌肽危害[28-29]、抑制或殺死競(jìng)爭(zhēng)菌并建立生態(tài)位[30-31]等過程。現(xiàn)今，細(xì)菌膜囊泡領(lǐng)域的研究主要聚焦于陸源病原菌與人類健康等研究方向，在膜囊泡的生物發(fā)生、組成成分以及如何調(diào)控宿主與病原菌相互作用等方面展開[18-31]。

相較于陸源微生物而言，海洋細(xì)菌是膜囊泡研究的“盲區(qū)”。在美國國家生物技術(shù)信息中心 ( National Center for Biotechnology Information, NCBI )的PubMed數(shù)據(jù)庫（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov）中以“Bacterial membrane vesicles”和“Marine bacterial membrane vesicles”進(jìn)行檢索，近10年來的有關(guān)海洋領(lǐng)域膜囊泡的文獻(xiàn)僅占細(xì)菌膜囊泡研究的1.7%，我們對(duì)其中細(xì)菌膜囊泡的生態(tài)角色、生物功能等所知甚少（圖2）。近年關(guān)于海洋細(xì)菌膜囊泡的研究已初露端倪，表明其在海洋生物圈中可能發(fā)揮著重要作用，且功能廣泛。細(xì)菌膜囊泡能夠調(diào)節(jié)噬菌體與微生物的相互作用從而影響對(duì)海洋病毒感染動(dòng)力學(xué)的研究[28,32]，并且在海洋宿主與細(xì)菌的互惠共生中影響海洋無脊椎動(dòng)物的生命進(jìn)程[33-39]，最終使整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)更加復(fù)雜多樣。本文將重點(diǎn)分析近年來發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌膜囊泡在海洋生物及環(huán)境中的潛在功能，為其他聚焦海洋微生物的科研工作者提供新的研究思路，并為未來進(jìn)一步開展細(xì)菌膜囊泡在海洋生物圈中的作用等研究奠定理論基礎(chǔ)。

圖2 2011-2021年發(fā)表的海洋細(xì)菌膜囊泡領(lǐng)域文獻(xiàn)數(shù)量Fig. 2 Publications in the field of marine bacterial membrane vesicles from 2011 to 2021

2 細(xì)菌膜囊泡在海洋生物體及環(huán)境中的潛在功能

Lynch和Alegado[40]研究發(fā)現(xiàn)，海洋中存在高水平的細(xì)菌膜囊泡，保守估計(jì)每天經(jīng)由膜囊泡釋放的蛋白質(zhì)可達(dá)約1×106t，可轉(zhuǎn)化成3.92×1011g碳、1.24×1011g氮和1.96×1010g硫，將影響對(duì)全球營養(yǎng)鹽收支的統(tǒng)計(jì)。此外，在物質(zhì)無限稀釋的海洋環(huán)境中，膜囊泡能使胞外酶和信號(hào)物質(zhì)尤其是疏水性群體感應(yīng)分子具有可溶解性、穩(wěn)定性、高濃度等優(yōu)勢(shì)，并在海水的流動(dòng)下進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳遞，有利于海洋微生物間的物質(zhì)信息交流[30,41-42]（圖3）。因此，膜囊泡在影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)乃至生物地球化學(xué)循環(huán)方面都具有巨大潛力。

圖3 微生物細(xì)胞外囊泡在海洋生態(tài)系統(tǒng)中扮演的潛在角色Fig. 3 The potential roles of microbial extracellular vesicles in marine ecosystems

2.1 在噬菌體感染中的防御功能

細(xì)菌在與噬菌體的長期對(duì)抗性共進(jìn)化過程中，為了抵御噬菌體的侵染演化出了多種復(fù)雜機(jī)制，包含通過修飾表面受體阻斷噬菌體吸附[43-44]、限制性修飾系統(tǒng)（R-M 系統(tǒng)）切割入侵的DNA[45]、成簇的規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列及其相關(guān)蛋白（CRISPR-Cas系統(tǒng)）介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫[46]、流產(chǎn)感染中斷噬菌體繁殖[47]、硫代磷酸酯修飾系統(tǒng)切割噬菌體DNA[48]等。其中，細(xì)菌膜囊泡由于在特定的生物發(fā)生過程中攜帶了母菌的表面受體，能夠作為一種替身誘騙噬菌體侵染，從而減少噬菌體對(duì)母菌的吸附[8]（圖4a）。早在10年前，Manning和Kuehn[29]研究發(fā)現(xiàn)大腸桿菌（Escherichia coli）釋放的膜囊泡能夠快速且不可逆的吸附包括抗菌肽和T4噬菌體在內(nèi)的外膜作用物質(zhì)，從而促進(jìn)細(xì)菌的先天性防御。這種抵御噬菌體侵染的防御機(jī)制并不是個(gè)例，霍亂弧菌（Vibrio cholerae）產(chǎn)生的膜囊泡甚至能對(duì)3種噬菌體起到不同程度的抵御作用[49]。理論上，革蘭氏陰性菌通過出芽形成的囊泡帶有母菌外膜組分，都可能作為防御噬菌體的第一道防線，這種受體依賴型的機(jī)制對(duì)宿主的保護(hù)程度可能取決于膜囊泡的產(chǎn)生速度與累積濃度；革蘭氏陽性菌分泌的囊泡對(duì)某些以質(zhì)膜蛋白為受體的噬菌體可能也有同樣的防御作用。

圖4 細(xì)菌膜囊泡參與噬菌體與微生物相互作用Fig. 4 Bacterial membrane vesicles are involved in phage-bacterial interactions

病毒是海洋生態(tài)系統(tǒng)中豐度最高的生物實(shí)體，甚至高達(dá)108個(gè)/mL，是海洋細(xì)菌和古菌總和的15倍，每秒鐘可發(fā)生1023例感染[50-51]。根據(jù)Biller等[28]研究可知，海洋原綠球藻（Prochlorococcus）持續(xù)釋放大量的膜囊泡能與噬菌體（PHM-2）相結(jié)合。其中，往往伴隨著尾鞘縮短與衣殼染色密度的改變，證明了該現(xiàn)象確實(shí)是噬菌體注入核酸進(jìn)行錯(cuò)誤性侵染的結(jié)果而非一種人工產(chǎn)物或偶然性重疊。我們最近的研究發(fā)現(xiàn)，海綿共附生擬桿菌（Tenacibaculum mesophilum）產(chǎn)生的膜囊泡同樣能夠與周圍環(huán)境的噬菌體結(jié)合（數(shù)據(jù)未展示）。據(jù)我們所知，目前，關(guān)于海洋細(xì)菌膜囊泡與噬菌體防御方面的文獻(xiàn)報(bào)道僅有1篇[28]。這些細(xì)胞外囊泡的釋放降低了細(xì)胞被感染致死的可能性。據(jù)此，我們可以想象：海洋生態(tài)系統(tǒng)中存在的大量細(xì)菌膜囊泡可能代表了一類能夠影響海洋噬菌體感染進(jìn)程的顆粒，它們通過改變病毒感染動(dòng)力學(xué)從而調(diào)節(jié)海洋微生物的群落結(jié)構(gòu)與豐度。

2.2 加速噬菌體侵染的擴(kuò)散功能

在病毒與宿主的相互作用中，膜囊泡等細(xì)胞外囊泡也能夠在侵染細(xì)胞的過程中發(fā)揮作用，從而促進(jìn)病毒的復(fù)制擴(kuò)散與生態(tài)位的占據(jù)。早在1978年，Loeb和Kilner[52]研究發(fā)現(xiàn)T4噬菌體能侵染并提高大腸桿菌釋放膜囊泡的能力，且細(xì)胞在感染前后釋放的囊泡膜的蛋白質(zhì)組成相似。事實(shí)上，這些囊泡結(jié)構(gòu)不僅內(nèi)含宿主細(xì)胞編碼分子，而且可能包含病毒基因片段與蛋白等重要信息，甚至是增殖后的病毒顆粒[17,53-54]。根據(jù)Tzipilevich等[55]的研究可知，枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）釋放的膜囊泡能通過膜融合轉(zhuǎn)移病毒受體YueB，導(dǎo)致其他物種更易受到噬菌體SPP1感染。這種由囊泡介導(dǎo)的細(xì)胞表面成分交換的機(jī)制，促進(jìn)了噬菌體對(duì)其他處于同一生態(tài)位的非宿主物種的侵染，擴(kuò)大了病毒宿主范圍（圖4b）。此外，在人體細(xì)胞外泌體與病毒的研究中，也有文獻(xiàn)指出COVID-19和HIV等病毒可能利用感染細(xì)胞釋放的細(xì)胞外囊泡轉(zhuǎn)移受體并擴(kuò)大侵染范圍，甚至能躲避免疫系統(tǒng)從而促進(jìn)病毒的胞間傳播[56-58]。

在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，病毒每秒鐘引發(fā)1023例感染，每天殺死20%（生物量）的微生物，病毒感染的宿主特異性使其成為調(diào)控微生物群落的強(qiáng)大媒介[50-51]。理論上，海洋病毒很有可能將被感染細(xì)菌分泌的細(xì)胞外囊泡作為病毒顆粒的載體，從而達(dá)到繁殖和擴(kuò)散的目的。據(jù)我們所知，目前該領(lǐng)域研究暫無報(bào)道，僅有1篇文獻(xiàn)以真核藻類及其噬菌體為研究對(duì)象。2017年，Schatz等[32]發(fā)現(xiàn)顆石藻（Emiliania huxleyi）受噬菌體PM04感染后釋放出的細(xì)胞外囊泡能夠延長病毒顆粒在水體的半衰期以維持有效的侵染性，從而加速病毒侵染同種藻類細(xì)胞的進(jìn)程。與先前所述的抗病毒保護(hù)機(jī)制不同的是，該研究報(bào)道的囊泡并不能作為一種誘騙噬菌體感染的防御機(jī)制[28-29,49]。此外，這種機(jī)制下的海洋微生物囊泡是一類完全相反的、推動(dòng)病毒感染動(dòng)力學(xué)的生物納米顆粒。另一方面，細(xì)菌膜囊泡具有促進(jìn)噬菌體在非宿主自然群落中的傳播和入侵的潛力，這使得處于同一生態(tài)位的微生物群落結(jié)構(gòu)得到多重調(diào)控[55]。

2.3 維持細(xì)菌生長的營養(yǎng)機(jī)制

自然界中，微生物能通過從外界環(huán)境中攝取和利用所需的營養(yǎng)物質(zhì)，以滿足其各項(xiàng)生理生化活動(dòng)，從而維持和延續(xù)其生命形式。其中，膜囊泡在該方面扮演著重要角色，其主要是通過運(yùn)輸金屬離子、攜帶受體、包裝水解酶等途徑協(xié)助母細(xì)胞獲取營養(yǎng)物質(zhì)[20-21,59-61]。目前，這些研究多集中于陸地環(huán)境的微生物。例如，銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和結(jié)合分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）利用囊泡復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)宿主環(huán)境中的鐵離子[20-21]；伯氏疏螺旋體（Borrelia burgdorferi）釋放攜帶水解酶與受體的膜囊泡降解基質(zhì)蛋白以獲取外源多肽[59]；黃色黏球菌（Myxococcus xanthus）和溶桿菌（Lysobactersp.）分泌含有水解酶的囊泡殺死其他微生物獲取營養(yǎng)來源[60-61]。理論上，膜囊泡通過拓寬母菌獲取外源營養(yǎng)的途徑，增強(qiáng)了細(xì)菌在宿主或寡營養(yǎng)生境等惡劣環(huán)境中的存活能力，這種機(jī)制可能廣泛存在于微生物中。根據(jù)目前的測(cè)序數(shù)據(jù)可知，98%以上的微生物缺乏合成氨基酸的必要途徑或關(guān)鍵基因，其生長依賴于群落中的其他成員、宿主或環(huán)境所提供的氨基酸、維生素或輔助因子等必需營養(yǎng)[62]。對(duì)此，細(xì)菌膜囊泡相當(dāng)于提供了一種有效的生存策略，維系了種群的持久存在。

在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，微生物的生長可能因營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏而受到限制，而克服營養(yǎng)匱乏的機(jī)制是海洋微生物在惡劣環(huán)境中生存的關(guān)鍵[63-64]。在這種情況下，海洋細(xì)菌膜囊泡能通過攜帶水解酶與受體蛋白等策略維持微生物細(xì)胞的生存[42,65-68]。例如，假交替單胞菌中的Pseudoalteromonas distincta與海洋黃桿菌（Formosaspp.）能夠出芽形成攜帶水解酶的珍珠狀囊泡鏈，這種細(xì)胞表面附屬物不僅使單位細(xì)胞體積具有更多的表面酶，而且擴(kuò)大了對(duì)聚合營養(yǎng)物的監(jiān)測(cè)空間[65-66]。不同的是，交替單胞菌（Alteromonas macleodii）是直接向周圍海水環(huán)境釋放大量包裝有水解酶的囊泡，以此提高基質(zhì)環(huán)境中可供細(xì)菌群落吸收利用的營養(yǎng)物質(zhì)的濃度[42]。此外，分離自南極的希瓦氏菌（Shewanella vesiculosa）的囊泡中攜帶著水解酶與Ton-B依賴性受體并且表現(xiàn)出對(duì)革蘭氏陽性菌的溶解作用[67]，這可能也是與溶桿菌類似的一種捕食機(jī)制[60-61]。其所攜帶的Ton-B的外膜通道家族蛋白被認(rèn)為是海洋細(xì)菌在營養(yǎng)限制條件下生存的一種機(jī)制[69]。與之相類似的，還有分離自南極的假交替單胞菌中的Pseudoalteromonas antarctica[68]。它們可能將膜囊泡作為酶與Ton-B受體的載體對(duì)所需營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行識(shí)別與轉(zhuǎn)運(yùn)等，以此適應(yīng)南極極端的營養(yǎng)環(huán)境。相較于上述這些“自私”的攝取，原綠球藻的膜囊泡則能夠作為某些異養(yǎng)微生物的單一碳源并支持其生長，表現(xiàn)出另外一條營養(yǎng)流動(dòng)途徑[28]。總而言之，相較于以孔蛋白進(jìn)行被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)為生存策略的生物而言，細(xì)菌膜囊泡作為一種潛在的營養(yǎng)機(jī)制為海洋微生物提供了優(yōu)勢(shì)，對(duì)整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)通量和循環(huán)都具有重要意義。

2.4 介導(dǎo)水平基因轉(zhuǎn)移的重要模式

自然界中，原核生物能夠通過快速獲取維持其生存所需的遺傳特征以適應(yīng)外界環(huán)境變化[70]。其中，遺傳的可塑性得益于細(xì)菌之間或細(xì)菌與其他物種之間通過水平基因轉(zhuǎn)移所進(jìn)行的遺傳物質(zhì)交流[71]，該過程往往導(dǎo)致物種的基因更具多樣性。通常，微生物可以通過接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化以及基因轉(zhuǎn)移因子等途徑進(jìn)行水平基因轉(zhuǎn)移。然而，隨著Dorward等[72]研究發(fā)現(xiàn)淋病奈瑟氏菌（Neisseria gonorrhoeae）膜囊泡介導(dǎo)耐藥性質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移，膜囊泡逐漸被認(rèn)為是一種介導(dǎo)水平基因轉(zhuǎn)移的新型模式。目前，在革蘭氏陽性菌與陰性菌中均能觀察到由膜囊泡介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，包括耐藥性基因[73]、毒力相關(guān)基因[22]、代謝相關(guān)基因[74]等。這種基因轉(zhuǎn)移的模式，實(shí)現(xiàn)了不同代謝功能與基因跨越時(shí)間、空間和環(huán)境傳播，提升了細(xì)菌的環(huán)境適應(yīng)性，加快了物種進(jìn)化[75]。

根據(jù)Biller等[28,76]的研究可知，細(xì)菌囊泡在海洋環(huán)境中普遍存在、數(shù)量龐大（在近海表層水與馬尾藻海水樣品中的濃度分別達(dá)到約6×106顆粒/mL和3×105顆粒/mL），且囊泡中包含的多樣性與異質(zhì)性DNA與33個(gè)門如變形菌門（Proteobacteria）、藍(lán)藻門（Cyanobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）等具有顯著的同源性。同時(shí)，Soler等[77]提出，磷脂雙分子層的包裹可能決定了DNA在海洋環(huán)境中的穩(wěn)定存在。此外，Chiura等[70]在實(shí)驗(yàn)室條件下證明，從海水中采集的膜囊泡確實(shí)能將營養(yǎng)缺陷標(biāo)記DNA轉(zhuǎn)移到大腸桿菌中。種種證據(jù)表明，細(xì)菌膜囊泡可能充當(dāng)了儲(chǔ)存與運(yùn)輸遺傳信息的“倉庫”與載體，從而介導(dǎo)了海洋生態(tài)系統(tǒng)中大規(guī)模的水平基因轉(zhuǎn)移。目前，這種基因轉(zhuǎn)移機(jī)制在海洋中的研究主要集中在古細(xì)菌[53,77-80]。例如，嗜熱古菌（Thermococcus kodakaraensis）產(chǎn)生的囊泡能在熱液噴口的高溫環(huán)境中保護(hù)并轉(zhuǎn)移質(zhì)粒，甚至在沒有感染的情況下傳遞病毒的基因組[53,78]。相似的，嗜鹽古菌（Halorubrum lacusprofundi）分泌的囊泡同樣可以作為其質(zhì)粒的細(xì)胞間運(yùn)輸載體，并通過類似病毒的機(jī)制“感染”其他細(xì)胞[79]。此外，Kwon等[80]對(duì)自然環(huán)境中囊泡的宏基因組測(cè)序也表明，細(xì)胞外囊泡可能是海洋微生物群落中多種視紫紅質(zhì)基因轉(zhuǎn)移的載體。總之，膜囊泡可能是海洋環(huán)境中水平基因轉(zhuǎn)移的重要驅(qū)動(dòng)力，使不同系統(tǒng)發(fā)育的微生物之間的基因交流更加復(fù)雜多樣，提升了物種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

2.5 介導(dǎo)群體感應(yīng)的重要模式

群體感應(yīng)是指環(huán)境菌群密度達(dá)到閾值后，通過累積的信號(hào)分子如酰基高絲氨酸內(nèi)酯（AHLs）、假單胞菌喹諾酮信號(hào)（PQS）等介導(dǎo)細(xì)胞間通訊，進(jìn)而調(diào)控微生物群體的生理特征，如產(chǎn)生毒性、形成生物膜等的過程[81]。通常而言，群體感應(yīng)分子是由微生物合成并釋放到環(huán)境中，與位于細(xì)胞膜或細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的特定受體結(jié)合進(jìn)而產(chǎn)生作用的[82]。然而，由于某些信號(hào)分子屬于疏水性化學(xué)物質(zhì)，其分子擴(kuò)散可能受到細(xì)胞磷脂雙分子層的阻礙[83]。針對(duì)這一現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)微生物能以膜 囊泡作 為群體 感應(yīng)分 子的載體[30,41,83-84]。例如，銅綠假單胞菌利用囊泡傳遞PQS信號(hào)分子[83]；脫氮副球菌（Paracoccus denitrificans）也能將疏水性分子C16-HSL包裝至囊泡中運(yùn)輸[84]。微生物以這種策略進(jìn)行細(xì)胞間通訊，不僅解決了疏水性分子難以通過細(xì)胞膜的問題，而且使信號(hào)分子在囊泡運(yùn)輸?shù)倪^程中得到濃縮與穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了群體感應(yīng)的發(fā)生。

在開放的海洋環(huán)境中，群體感應(yīng)面臨的限制更加明顯：一方面，疏水性信號(hào)分子難以通過自由擴(kuò)散作用于受體細(xì)胞；另一方面，即使信號(hào)分子能夠通過細(xì)胞膜傳播，由于海水近乎無限稀釋的特性，可能也難以達(dá)到引起群體感應(yīng)的濃度閾值。在此情況下，基于細(xì)胞外囊泡的信號(hào)分子運(yùn)輸模式對(duì)于水生生境中的微生物具有尤為重要的生態(tài)意義。Brameyer等[41]研究發(fā)現(xiàn)，哈維弧菌（Vibrio harveyi）能將疏水性信號(hào)分子CAI-1包裝至膜囊泡中，并以此引發(fā)群體感應(yīng)。相似的，Li等[30]在施羅氏弧菌（Vibrio shilonii）產(chǎn)生的膜囊泡中也檢測(cè)到疏水性信號(hào)分子AHLs，這可能與群體感應(yīng)誘導(dǎo)的對(duì)珊瑚共生體的致病性有關(guān)。總之，這種將細(xì)胞外囊泡作為一種納米尺度的信號(hào)傳輸載體的策略，促進(jìn)了信號(hào)分子在水生環(huán)境中的長距離分布，對(duì)于調(diào)控海洋微生物群落的生理特征具有重要生態(tài)學(xué)意義。

2.6 調(diào)節(jié)微生物與宿主的共生機(jī)制

在長期的進(jìn)化過程中，生物與微生物之間逐漸建立起了互惠共生的關(guān)系，從簡單低等的原生生物到高等的哺乳動(dòng)物都普遍存在這種現(xiàn)象[33-35,85]。而隨著共生機(jī)制研究的不斷深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)共生微生物也能通過膜囊泡的形式調(diào)節(jié)宿主的各種生命活動(dòng)[86-87]。例如，?ahui Palomino等[86]發(fā)現(xiàn)由乳桿菌屬（Lactobacillusspp.）主導(dǎo)的陰道微生物群的膜囊泡可能抑制人體組織的HIV-1感染；定居于人類腸道的脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）能通過膜囊泡在結(jié)腸炎過程中激活非經(jīng)典的自噬途徑發(fā)揮保護(hù)作用[87]。相較于某些內(nèi)源的條件致病菌或外部入侵的病原體[88]，這種由共生微生物分泌的膜囊泡參與了對(duì)宿主生命活動(dòng)的調(diào)控，其介導(dǎo)的跨物種交流反而有利于維持宿主內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。

然而，這種關(guān)系并不局限于陸地環(huán)境中的生物。海洋中的共生現(xiàn)象比陸地更為普遍、關(guān)系更加密切，包括藻類與固氮細(xì)菌或動(dòng)物的互利共生以及動(dòng)物之間的共棲、互利、寄生等各種類型[89]。但是，關(guān)于共生微生物細(xì)胞外囊泡在宿主中作用的研究才剛剛起步。目前已經(jīng)在領(lǐng)鞭毛蟲（Salpingoeca rosetta）[33-35]、苔海綿（Tedaniasp.）[36]、貝螅（Hydractinia echinata）[37]、華美盤管蟲（Hydroides elegans）[38]、夏威夷短尾魷（Euprymna scolopes）[39]中發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象。例如，我們實(shí)驗(yàn)室在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，擬桿菌門（Bacteroidetes）中的多株菌能夠通過膜囊泡促使苔海綿的浮游幼蟲進(jìn)入附著狀態(tài)[36]，這可能與囊泡內(nèi)部包裹的sRNA或精氨酸有關(guān)（資料未展示）。相同的，假交替單胞菌中的Pseudoalteromonas luteoviolacea等也能通過該途徑誘導(dǎo)華美盤管蟲的附著與變態(tài)[38]。此外，費(fèi)氏弧菌（Vibrio fischeri）能上調(diào)主要外膜蛋白的轉(zhuǎn)錄，并以膜囊泡刺激其宿主“光器官”的發(fā)育[39]。據(jù)此，我們可以推測(cè)海洋細(xì)菌膜囊泡是一種廣泛存在的共生宿主發(fā)育刺激因子，能夠調(diào)控海洋真核生物生活史的轉(zhuǎn)變，對(duì)于維持海洋生物群落的穩(wěn)定性至關(guān)重要。同時(shí)，少數(shù)研究也發(fā)現(xiàn)膜囊泡可能作為海水養(yǎng)殖致病菌如塔斯馬尼亞弧菌（Vibrio tasmaniensis）、殺魚愛德華氏菌（Edwardsiella piscicida）等的毒力因子擴(kuò)散載體，進(jìn)而參與海洋微生物對(duì)宿主的致病過程[90-92]。總而言之，不同類型的細(xì)菌可能因具有不同的生存策略而分泌具有功能差異性的膜囊泡，進(jìn)而在宿主與微生物的相互作用中扮演著多重角色。而作為一種生物納米顆粒，膜囊泡表面攜帶或內(nèi)部包裹的復(fù)雜信息物質(zhì)或許才是細(xì)菌與真核宿主共生機(jī)制或致病機(jī)制的關(guān)鍵所在。

3 總結(jié)與展望

海洋是地球生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。細(xì)胞外囊泡作為一類非細(xì)胞顆粒，來源于幾乎所有生物細(xì)胞，它們可能通過各種方式在海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮生物學(xué)功能。海洋微生物作為海洋生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣、種類最多、豐度最大的一類生物，其所釋放出的膜囊泡因攜帶豐富多樣的內(nèi)容物，將對(duì)海洋生物中的個(gè)體、種群、群落乃至生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。此外，基于膜囊泡在細(xì)菌-噬菌體互作與細(xì)菌營養(yǎng)機(jī)制等方面的潛在作用，我們推測(cè)海洋細(xì)菌膜囊泡可能影響生物地球化學(xué)循環(huán)，甚至是氣候變化。首先，海洋微生物膜囊泡能夠加速或減慢病毒感染過程，最終可能改變惰性溶解有機(jī)碳的釋放速率，影響到“微型生物碳泵”的效率。其次，由于膜囊泡攜帶各種復(fù)雜的代謝產(chǎn)物等，可以直接作為微生物的營養(yǎng)來源或獲取途徑，將直接影響其群落組成并促進(jìn)惰性溶解有機(jī)碳的積累。此外，細(xì)菌膜囊泡可能提高了海水的營養(yǎng)鹽含量，并影響初級(jí)生產(chǎn)力與固碳效率。

目前，我們對(duì)其生態(tài)角色與生物功能研究尚淺、所知甚少。針對(duì)當(dāng)前海洋細(xì)菌膜囊泡的研究概況，我們提出以下科學(xué)問題：（1）已發(fā)現(xiàn)膜囊泡具有防御噬菌體及促進(jìn)噬菌體擴(kuò)散的雙向作用，那么其是否參與及如何調(diào)節(jié)海洋生態(tài)系統(tǒng)中微生物與噬菌體間的平衡？其是否改變了海洋微型生物碳泵的效率？（2）基于囊泡中含有大量C源、N源、P源等營養(yǎng)組分，其在海洋生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的輸出通量貢獻(xiàn)比率是多少？（3）已證實(shí)細(xì)菌膜囊泡是生物分子的載體，其所介導(dǎo)的海洋生物細(xì)胞間通訊尤其是共生體系中的作用機(jī)制值得深入研究。

現(xiàn)今，由于細(xì)胞外囊泡具有細(xì)胞間信息傳遞的功能以及作為診斷工具的實(shí)用性而成為熱點(diǎn)被廣泛研究，但在自然環(huán)境中仍有很多領(lǐng)域還未涉及，在基礎(chǔ)生物學(xué)上還有許多未解之謎。在海洋領(lǐng)域，關(guān)于細(xì)菌膜囊泡的大多數(shù)研究還停留在對(duì)某種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和觀察，或是通過蛋白質(zhì)組學(xué)等手段將其攜帶的組分與相應(yīng)的功能聯(lián)系在一起。盡管有不少文章推測(cè)膜囊泡在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的各種潛在作用，但是這些假設(shè)和模型概念往往都缺乏進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，在不同培養(yǎng)條件或自然條件下所開展的生化和生物信息學(xué)等研究仍然是解析膜囊泡功能與作用機(jī)制的關(guān)鍵點(diǎn)。不可否認(rèn)，細(xì)胞外囊泡研究的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是囊泡在大小、結(jié)構(gòu)、內(nèi)含物等方面的高度多樣性。其中，實(shí)驗(yàn)室的特異性培養(yǎng)條件可能會(huì)改變膜囊泡的理化特性，這可能降低了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性。此外，海洋細(xì)菌膜囊泡與病毒的粒徑存在一定重疊，導(dǎo)致這兩種生物實(shí)體難以區(qū)分，影響了對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)中膜囊泡豐度的評(píng)估。另一方面，細(xì)菌膜囊泡領(lǐng)域暫未發(fā)現(xiàn)與真核生物外泌體相類似的特異性標(biāo)記物，這就增加了鑒定和量化其生態(tài)功能的難度。未來，隨著細(xì)胞外囊泡生物學(xué)領(lǐng)域的擴(kuò)大發(fā)展、組學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信海洋細(xì)菌膜囊泡也將受到越來越多的關(guān)注，為進(jìn)一步拓寬海洋微生物學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。