海洋浮游植物和藻際細菌的相互作用關系及其在海洋生態系統中的重要作用

王 慧 ，蔡潤林 ，甘永亮 ，陳悅蓉 ，李靈鈺 ，楊小雨 ，謝建民

（1.汕頭大學理學院生物系，廣東 汕頭 515063；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州 511458；3.廣東省海洋生物技術重點實驗室，廣東 汕頭 515063）

海洋中的浮游植物（Phytoplankton）是水生環境中無可爭辯的主要生產者，其生物量僅占全球植物的1%-2%，卻貢獻了全球約50%的初級生產力，與陸地植物的固碳量相當[1-2].海洋環境中的浮游植物通常包括真核的微型藻類（Microalgae）和原核的藍細菌（Cyanobacteria）.后者雖然通常被稱為“藍藻”，但其在分類學上屬于原核生物中的自養細菌，在此不做論述.本文將重點關注真核生物域（Domain）的浮游微藻及原核生物域的異養細菌兩種微型生物之間“跨域”的相互作用關系及其對海洋生態系統的影響.異養細菌（Heterotrophic bacteria）生物量巨大，在海洋真光層中，其生物量能夠到達總生物量的四分之一[3]，而異養細菌具備強大的分解能力，使其成為地球上物質循環的最重要的驅動者.浮游微藻和細菌是海洋環境“微食物環（microbial loop）”的關鍵組分，二者之間存在緊密的相互作用關系，這種藻菌關系在介導碳、氮、硫、磷等物質的生物地球化學循環方面發揮重要的作用.浮游植物產生的海洋初級生產力只有一部分經過經典食物鏈進入高營養級，大多經過浮游細菌（Bacterioplankton）參與的微食物環向上一營養級傳遞，據估算，浮游細菌通過微食物環使海洋中一半以上的凈初級生產力再生[4].可見，浮游植物和浮游細菌是組成水生生物圈的兩類最重要的生物元素，兩者之間的相互作用，以及這種相互作用對二者和全球生態系統的影響已經成為近年來的研究熱點[5-6].

1 硅藻和甲藻是海洋環境中重要的浮游植物

浮游植物通過光合作用將大氣中的二氧化碳轉化為有機化合物被海洋生物所利用，是海洋中重要的“碳庫”[7]，具有重要的大氣和海洋環境碳循環調節功能[8-9].海洋環境中主要的浮游植物類群主要包括硅藻、甲藻、球石藻、藍藻、綠藻和金藻，其中，硅藻、甲藻和球石藻是海洋環境中分布最廣泛和生物量最多的真核種類.

硅藻（Diatoms）作為水域和陸地生態系統中最為豐富的藻類之一，有大約200 000個不同種，大小從幾微米到幾毫米不等，以單細胞或細胞鏈的形式存在[10].硅藻在全球海洋中廣泛存在[11].硅藻是構成海洋食物網的基礎，其通過光合作用產生的有機碳等同于全球熱帶雨林產有機碳的總和，約占海洋初級生產力的40%或全球初級生產力的16%[10，12].硅藻還參與海洋硅、鐵和氮等物質的生物地球化學循環[10].硅藻具有硅質外殼，在硅藻衰亡時，硅質壁的重力會使它們迅速下沉，并攜帶著有機碳進入深海，硅藻的生命活動及硅質遺骸的歸趨形成了硅-碳循環的偶聯[13].因此，硅藻在驅動生物泵和促進碳、硅元素循環方面發揮著重要作用.

甲藻（Dinoflagellates）是海洋環境中另外一類重要的浮游微藻，其多樣性僅次于硅藻，是海洋環境中第二大真核生物種群，占據著海洋環境的重要生態位[14].甲藻的代謝類型包括光合自養型、混合營養型和異養型三種，其中約一半的種類為光合自養型和混合營養型，這些甲藻能夠進行光合作用，是海洋環境中重要的初級生產者[15].甲藻還能夠參與形成珊瑚礁生態系統.甲藻（蟲黃藻）—珊瑚共生體形成的珊瑚礁被譽為“海底熱帶雨林”，是調節海洋生態系統平衡與穩定最為基礎和活躍的一部分，參與介導海洋環境中氮、硫等物質循環[16].沿岸富營養區甲藻的大量增殖，還會引起甲藻藻華，對近岸水生生態系統和生物資源造成破壞[17].有研究表明，由于甲藻更能適應全球變暖和富營養化雙重壓力所帶來的影響，未來中國東海約70%的區域甲藻生物量將明顯升高，變化最大的近岸區域，其生物量將升高60%[18].可見，甲藻在未來海洋環境中的重要生態地位將更加凸顯，其對全球初級生產力的貢獻也會更高.

球石藻（Coccolithophore）是一類海洋微藻，屬定鞭藻門（Haptophyte）[19]，其生活史特定階段可形成碳酸鈣質地的球石粒（coccolith）[20]，因此而得名.球石藻是現今海洋中第三大浮游植物類群，大約有300多個不同的種類[21]，最早的化石記錄可以追溯到2.2億年前的晚三疊紀，其化石材料完整地記錄了該類群的形態多樣性[22].赫氏球石藻（Emiliania huxleyi）作為球石藻中最受關注并被廣泛研究的一種，其在全球海洋廣泛分布.在赫氏球石藻發生藻華時，因脫落的大量球石粒在海面上自由漂浮，使得水面非常明亮，像一面面反射陽光的鏡子，這種現象也稱為“白水”[23].赫氏球石藻能夠同時通過光合作用和生物礦化固定無機碳，顯著影響表層海洋碳酸鹽的生物地球化學循環，并將大量的碳轉移到深水沉積物中[24].此外，赫氏球石藻能產生大量的具有揮發的二甲基硫醚（dimethyl sulfide），從而影響海洋云層的形成、氣候調節[25-27]以及全球硫循環[28-29].

2 藻際環境—浮游植物與細菌發生緊密相互作用的微環境

藻際微環境（Phycosphere）這一概念是根際環境（Rhizosphere）的一個類比，用于描述浮游植物和細菌發生相互作用的微環境，兩者有著驚人的相似之處.與植物根際類似，浮游植物會向其細胞周圍海水釋放由自身合成的化合物，為浮游植物和異養細菌之間的物質交流提供了一個關鍵界面，這種浮游植物-細菌相互作用的微環境稱為藻際環境[30-31]（圖1）.藻際環境的大小主要由浮游植物細胞的大小決定，一般認為，浮游植物細胞半徑的100倍的區域可以認為是藻際環境；同時，藻際環境的大小還取決于浮游植物的生長速率、物質的滲出速率、滲出物的擴散率、以及滲出物的本底濃度[6].研究證實，在藻際環境中積累的營養物質的濃度顯著超過周邊海水[32]，而且不同浮游植物來源的藻際環境中物質濃度和組成存在差異，于是在表層海水中就由藻際環境形成了一系列生態位（ecological niche）供細菌選擇，每種生態位會有利于某些特定的細菌大量繁殖，而這些細菌會在相應的藻際環境中占據優勢地位[33].在藻際環境中生活的細菌被稱為藻際細菌，一些營自養生活的藍細菌也能生活在真核藻類產生的藻際環境中，通過為宿主藻固定氮源物質形成共生關系.而這些自養藍細菌同時又被認定為浮游植物，所以本文中對這一類細菌不做討論，我們重點關注藻際環境中的異養細菌.

圖1 熒光顯微鏡下浮游微藻Neodelphineis sp.PT41與其藻際細菌的緊密共生.紅色為浮游微藻在紫外下的自發熒光，綠色為藻和藻際細菌DNA經4',6-diamidino-2-phenylindole（DAPI）染色后的熒光.

浮游植物和藻際細菌的種類豐富多樣，它們之間存在著復雜的相互作用關系.互利共生是藻際環境中常見的相互作用關系.藻際細菌可以通過改善藻際微環境（消除過量的O2并產生CO2）以及釋放無機鹽、維生素、微量元素、促生長因子等物質促進微藻的生長[31].細菌在為微藻提供這些物質的同時也會獲得微藻分泌的各種有機物作為回報[34-36]，這些有機物包括氨基酸、參與地球硫循環的二甲基巰基丙酸內鹽（dimethylsulfoniopropionate，DMSP）[37]和脂肪酸等小分子化合物，以及包括多糖[38]在內的結構復雜的大分子化合物.近年來，有研究通過穩定同位素示蹤實驗證明藻際細菌對微藻的促進作用[39].然而，有些藻際細菌幾乎不利用微藻釋放的有機物，但能促進微藻的生長，這種行為被稱為偏利共生（commensalism）.例如，百脈根中間根瘤菌（Mesorhizobium loti）不利用萊茵衣藻（Cylindrotheca reinhardtii）產生的碳源，而萊茵衣藻卻能夠利用細菌所產生的維生素B12[34].

藻際環境中，浮游植物還會與其它一些細菌存在抑制或競爭的關系.一方面，微藻能夠產生化合物對自身藻際環境中的細菌進行選擇[40]，如一些硅藻會分泌具有抑菌作用的二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA），選擇性抑制藻際環境中的細菌；還有很多硅藻會分泌迷迭香酸（rosmarinic acid）、杜鵑花酸（azelaic acid，又叫壬二酸）等物質，可以促進某些玫瑰桿菌類群細菌的增長，并抑制其它種類機會主義細菌的生長[41].另一方面，海洋細菌能夠抑制浮游微藻的生長，甚至殺死藻細胞；海洋細菌也可以通過與微藻競爭營養物質來限制微藻的生長[31].例如，在磷限制條件下，海洋細菌憑借更高效的磷吸收能力與微藻競爭環境中的無機磷，從而使得微藻的生長受到限制[42].

細菌還可以通過絮凝的方式作用于浮游植物.“海洋雪（marine snow）”是海洋環境中有機物質凝聚成團沉降的現象.浮游植物是海洋雪的重要組成部分，尤其是在藻華期間，高濃度的藻細胞能夠加速凝團的形成和沉降速率.最近的研究發現，藻際的附生細菌在浮游植物沉降過程中起著非常重要的作用，而游離細菌則對其沉降過程影響不大，這說明細菌和藻類細胞之間的接觸是這些藻細胞沉降所必須的條件[43-44].筆者前期研究發現，分離自二疊紀地下海水中的Permianibacter aggregans HW001T菌株能夠沉降微擬球藻Nannochloropsis oceanica IMET1，但不影響藻細胞的生長[45].進一步，對其沉降藻細胞的過程和機理研究，發現了菌株HW001T通過直接接觸的方式凝集藻細胞，使90%以上的藻細胞沉降；基于此，我們提出“凝集”是與“促進”和“抑制”同等重要的細菌對于微藻的三大作用之一.

3 藻際環境中重要的細菌類群

浮游植物形成的藻際環境中存在著一些穩定的細菌類群，這些細菌被稱為藻際環境的核心菌群[46-49].基于16S rRNA基因擴增子的群落結構分析，有研究發現藻際環境中最常見的細菌是黃桿菌綱（Flavobacteriia）、α-變形菌綱（α-proteobacteria，如紅桿菌科Rhodobacteraceae）以及 γ-變形菌綱（γ-proteobacteria，如交替單胞菌科Alteromonadaceae）的成員，這三類細菌被稱為藻際環境中的“三大菌群”[50].但由于浮游植物的種類和及其形成的藻際環境之間存在著顯著差異，其藻際細菌的組成也不盡相同.相較于在綱水平的相對穩定的群落組成，在更精細的分類級別（如科或屬水平）上，不同藻際環境中細菌群落的組成存在一定差異.Guannel等人對兩個同屬不同種的擬菱形藻Pseudo-nitzschia multiseries和Pseudo-nitzschia delicatissima藻際細菌的16S rRNA基因擴增子分析發現，兩種硅藻藻際環境中的細菌類群在綱水平與“三大菌群”相一致，但是在屬水平稍有不同.其中，在多列擬菱形藻P.multiseries藻際環境中的γ-變形菌綱成員主要是海神單胞菌屬Neptunomonas，而在柔弱擬菱形藻P.delicatissima藻際環境中卻是以交替單胞菌屬Alteromonas為主[48].Teeling等人在以硅藻為主的水華前期和后期的細菌群落監測數據中發現，α-變形菌綱的玫瑰桿菌屬（Roseobacter）、黃桿菌綱的極地桿菌屬（Polaribacter）以及γ-變形菌綱的Reinekea這三個屬的細菌在數量上存在較大的波動，但相對于其它種類細菌始終處于主導地位[33].藻際環境中物質組成的差異可以影響藻際細菌的物種多樣性，塑造藻際細菌的群落結構.

目前對藻際環境中細菌類群的探究多集中在不同時期的水華樣本或是少數幾種微藻細胞的實驗室培養體系，對藻際環境中重要細菌類群的定義也停留在綱水平階段.為了探究在更精細的水平上是否存在相對固定的細菌類群，筆者團隊通過對約10.7 Gbp藻際細菌16S rRNA基因測序數據的深度分析，研究了分離自全球海洋不同海域的110株硅藻（28個屬）和86株甲藻（26個屬）的藻際細菌組成.結果發現：在綱水平上，α-變形菌綱、黃桿菌綱和γ-變形菌綱細菌為主要菌群，這與傳統藻際“三大菌群”的觀點一致；在科水平上，玫瑰桿菌科和黃桿菌科細菌占絕對主導地位，交替單胞菌科、海洋螺菌科（Oceanospirillaceae）以及Crocinitomicaceae的細菌位居其后；在屬水平，玫瑰桿菌科中的Marivita和γ-變形菌綱中的Marinobacter兩個屬的細菌在196株微藻樣本中的分布頻率及相對豐度處于優勢地位，可以被認為是藻際環境的核心細菌.數據還顯示，硅藻和甲藻的藻際環境中又有其各自獨特的菌群，其中，海洋螺菌科中的Neptuniibacter和黃桿菌科中的Polaribacter是硅藻藻際的優勢細菌屬，而α-變形菌綱中的Roseibium、β-變形菌綱中的Limnobacter、擬桿菌門中的Balneola是甲藻藻際的優勢細菌屬.這一最新研究結果，明晰了藻際細菌更精細分類級別的群落組成，確定了藻際的核心菌群，為后續的藻菌相互作用關系研究奠定了基礎.

4 藻際環境中藻菌之間的物質交流

在藻際環境中，浮游植物和細菌發生著緊密的相互關系，如前所述的共生、寄生、競爭、絮凝沉降等.物質的交換，包括營養物質、信號物質、遺傳物質，是這些相互作用發生的重要“橋梁”.

4.1 營養物質交換

浮游植物可以為細菌提供營養物質，包括碳水化合物（淀粉、纖維素等）、含硫有機物（DMSP、二羥基丙磺酸鹽（DHPS）等）和含氮物質（牛磺酸、色氨基酸等），以供細菌利用并促進其生長；而細菌則為藻類提供微量元素、激素及螯合劑等，以促進藻類的生長.有研究表明，硅藻為亞硫酸桿菌（Sulfitobacter）提供了含硫有機化合物——牛磺酸和DMSP，以作為對細菌所產生的銨鹽的交換[6].硅藻還分泌氨基酸——色氨酸，色氨酸被細菌轉化為生長素——吲哚乙酸（IAA），然后從細菌中轉移回硅藻，促進細胞分裂，增加碳產量.這種互利互惠的相互交換關系在海洋中隨處可見[51-52].

維生素B12是合成甲硫氨酸的重要組分，是微藻生長中的必不可少的微量元素，但是大部分的微藻不能自己合成，因此需要依靠外源的維生素B12來提供自身生長[53].許多細菌能合成維生素B12并提供給微藻，以維持藻類生長.例如，玫瑰桿菌R.pomeroyi產生維生素B12，以換取硅藻T.pseudonana分泌的糖類衍生物、有機氮化合物以及有機硫化合物——DHPS，由于DHPS的分解代謝僅限于幾種有限的海洋細菌類群，因此它的分泌表明硅藻對特定的細菌有優先選擇.鐵（Fe）是大多數微藻進行細胞呼吸、光合作用及硝酸鹽利用等過程所需的重要微量元素，但是由于鐵在海洋環境中的溶解度極低，使鐵成為浮游植物生長的限制因子[54].許多海洋細菌，包括海桿菌屬（Marinobacter），可通過分泌一些對鐵極具親和力的小有機分子——鐵載體，來減輕鐵的限制[55].

4.2 信號物質的交流

信號物質在細菌的群體感應、趨化性等過程中起到重要作用，浮游植物和藻際細菌能夠通過信號響應來影響彼此的生長[6].赫氏球石藻Emiliania huxleyi與玫瑰桿菌類群細菌Phaeobacter inhibins存在共生關系，由藻類分泌的二甲基巰基丙酸和氨基酸等物質被玫瑰桿菌利用[56]，并生成促進或保護藻類生長的物質，如維生素、生長激素和TDA抗生素等[57-58].但當藻細胞進入衰老期后，會釋放苯丙烷類化合物，如香豆酸或芥子酸，Phaeobacter inhibins能夠識別這些信號物質，產生溶藻活性天然產物，包括roseobacticides和roseochelin等，殺滅藻細胞[59].然而，小球藻Chlorella pyrenoidosa能產生一種特異結合群體感應系統蛋白的小分子——葉黃素（lutein），從而抑制細菌形成生物膜[60].

一些細菌在生長的過程中向環境釋放自誘導物質（auto inducers，AIs）作為信號分子，如N-酰基-高絲氨酸內酯（AHLs）、寡肽（AIPs）、呋喃酮類化合物等來調控其luxR操縱子表達，從而使細菌完成群體行為以協調細菌與宿主或者環境的關系[61-63].藻際細菌分泌的吲哚-3-乙酸作為信號物質能夠通過調控宿主藻的基因表達影響藻細胞的生理生化活動：第一，吲哚-3-乙酸可以上調藻細胞光合作用中三個關鍵基因的表達（psbB、LHCA4和LHCF4），從而提高藻的生物量；第二，吲哚-3-乙酸也能增加藻細胞細胞周期相關蛋白的表達（如：Cyclin 2和Cyclin 8），從而促進藻的分裂；第三，吲哚-3-乙酸還能促進藻細胞cdo基因（編碼半胱氨酸雙加氧酶）的表達，從而上調藻細胞牛磺酸合成途徑[64].藻際玫瑰桿菌類群細菌可以產生植物激素吲哚-3-乙酸并促進藻細胞分裂及二者共生，但是高濃度的吲哚-3-乙酸也會加速藻細胞衰老和死亡[51，65].

4.3 基因交流及協同進化

藻際細菌之間、微藻和藻際細菌之間以及藻際環境和外界環境之間還存在著頻繁的基因交流.這些基因交流以及經過藻際環境的選擇壓力而保留下來的自發突變共同賦予了微藻和藻際細菌新的適應性表型，從而推動了藻際細菌之間、微藻和藻際細菌之間的協同進化.

一方面，微藻和細菌在長期的共生過程中，通過協同進化，共同適應環境變化.藻類和細菌從進化的早期階段就已經共存了.大量文獻表明藍細菌、藻類、異養細菌和原生生物之間的相互作用均存在內共生現象[66-70].在藻菌共生系統中存在系統發育的一致性，具有協同進化的趨勢.硅藻布氏雙尾藻（Ditylum brightwellii）基因組有部分來源于細菌的基因，如有機碳和氮利用（木聚糖酶、葡聚糖酶、酰胺水解酶等）相關基因、尿素循環（氨基甲酰轉移酶、氨基甲酸激酶、鳥氨酸環化脫氨酶）相關基因以及與細胞壁硅化相關的多胺代謝（脫羧酶、甲基轉移酶）相關基因，這些基因編碼的產物為硅藻提供新的物質代謝的能力，證明了兩者之間在共生過程中存在著基因的交流[71].隨后的研究也發現，甲藻和硅藻中存在廣泛的水平基因轉移、復制和演替，如藻類從細菌基因中獲得參與光合作用相關的捕光蛋白和光敏色素基因[72]，一些微藻也會丟失維生素B12合成相關基因，而通過藻際細菌獲得維生素B12供生長所需[53].為了定植于某些特定的藻際環境，一些藻際細菌可以從外界獲得抵御某種環境壓力的功能基因.研究發現玫瑰桿菌類群的一個進化支從外界獲得了抗氧化壓力相關的基因，使得它們可以定植于活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平高同時營養物質濃度高的藻際環境[73]，相反，Feng等人發現玫瑰桿菌類群的某些細菌可以精簡掉自身基因組上與浮游植物共生相關的基因，如浮游植物衍生的代謝物利用、維生素B12合成相關基因，從而脫離藻際環境[74].

另一方面，藻際特殊的環境也驅動著藻際細菌的進化.不同浮游植物分泌的營養物質不同，其產生的藻際環境也不同，這些不同的藻際環境就會驅動藻際細菌的分化.Luo等人在探索玫瑰桿菌類群的進化歷程時還發現，玫瑰桿菌類群細菌的第一次基因組擴展事件與2.5億年前海洋甲藻和球石藻的物種輻射（species radiation）時間是一致的[75]，這可能是因為藻類的物種擴張產生了一系列營養豐富的藻際微環境，為玫瑰桿菌的祖先提供了大量新的生態棲息地.筆者團隊近期的研究發現同一生境中不同硅藻（不同種、同種不同株）的藻際環境中的玫瑰桿菌類群細菌發生了不同程度的分化，其中有兩個宿主藻不同的進化支，它們的16S rRNA基因序列相似度大于99%，而平均核苷酸一致性（Average Nucleotide identity，ANI）只有94.16%，在全基因組水平來說，已經可以界定這兩個進化枝為不同物種.這說明不同藻際環境是一個影響藻際玫瑰桿菌類群細菌之間基因流動的有效屏障，驅動了不同藻際細菌的分化[76].

5 藻際環境中藻菌協同驅動的生態過程

浮游植物和異養細菌是海洋微食物環的重要組成部分，盡管藻菌關系發生在微尺度的藻際環境，但兩者的相互作用關系協同驅動著全球生物地球化學循環，影響著全球氣候變化，并對近岸生態環境產生影響.

5.1 碳、氮、磷等生源物質的生物地球化學循環

浮游植物和藻際細菌經由有機碳的產生和利用建立的共生關系在介導“微食物環”、“微型生物碳泵”的碳循環過程中起著關鍵作用，能夠影響碳在海洋環境微界面中轉化的速率（圖2）.浮游植物作為海洋生態系統中最主要的初級生產者，通過光合作用固定CO2并釋放大量有機碳，包括顆粒有機碳（particle organic carbon，POC）和可溶性有機碳（dissolved organic carbon，DOC）.藻際細菌能夠高效利用宿主藻產生的有機碳，并最終決定有機碳的歸宿.有機碳被藻際細菌分解吸收后，一部分經呼吸作用產生CO2及無機鹽，其它被細菌固定至自身轉化為細菌生物量.以CO2及無機鹽形式儲存的碳可被浮游微藻再次利用，形成緊密聯系的微食物環.對于轉化為自身生物量的碳，一部分被原生動物等捕食，進入高一級生物鏈；另一部分以惰性可溶性有機碳（refractory dissolved organic carbon，RDOC）形式存在，可在海洋中儲存數千年，構成微型生物碳泵（microbial carbon pump，MCP）的重要環節.藻際環境中不同種類細菌對于復雜組成的DOC的利用具有底物偏好性，如藻際黃桿菌主要攝取和降解復雜多糖等高分子量的有機碳；交替單胞菌類群細菌可降解利用復雜程度較低的多糖或單糖類型有機碳；而玫瑰桿菌類群細菌則對簡單氨基酸及單糖表現出較高的利用能力[77]，這種有機碳的資源分配大大提高了海洋微食物網中的物質交流和能量流動效率，對碳循環具有一定正反饋作用[78].

圖2 浮游植物和藻際細菌協同介導的碳的生物地球化學循環過程

在藻菌的相互作用過程中，一些細菌可以使藻類發生聚集和沉降，驅動海洋生物泵對深海碳的輸出效率[79].如硅藻藻際環境中經常富含具有粘性的透明胞外聚合顆粒（transparent exopolymer particles，TEP）可以使部分細菌定植于藻細胞上，促使硅藻細胞的聚集沉降，形成“海洋雪”，對上層海洋的呼吸碳量產生直接影響[44].同時，一些具有多糖降解能力的細菌反而能夠增強復含多糖有機質TEP的降解速率，從而減少微藻細胞的聚集，降低向深海輸出的碳量[80].

浮游植物除了能夠分泌以多糖為主的DOC有機物到藻際環境中，還會釋放大量的含氮磷有機底物如氨基酸、多肽、核苷酸及核苷等物質，這些物質在塑造藻際細菌群落結構以及引起特定細菌定植于藻際環境中起著重要的作用[81].在藻菌共生體系中，藻際細菌通過對可溶性有機氮（dissolved organic nitrogen，DON）及可溶性有機磷（dissolved organic phosphorus，DOP）等有機物的重新礦化為藻提供大量的營養鹽.藻際細菌可促進微藻吸收氨氮的能力，且一些細菌對藻類所需硝氮的再生具有很大的貢獻.當磷酸鹽濃度較低時，細菌對磷酸鹽的競爭影響了藻類對磷酸鹽的攝入，藻類的生長因此受到限制，同時也影響了其對無機氮鹽的吸收[82].因而，藻菌的協同作用關系在氮和磷耦合的生物地球化學循環中也起到重要的調節作用.

5.2 硫循環及氣候變化

浮游植物能產生大量含硫化合物——DMSP，該化合物占海洋微藻光合作用固定碳的10%[83-84].DMSP既提供了細菌所需的碳、硫等營養元素[85]，又可作為有效的化學引誘劑影響著細菌在藻際環境中的定植能力[86].藻際細菌對DMSP的不同代謝方式及降解的相對強度決定了DMSP最終轉化為二甲基硫醚DMS（dimethylsulfide）的比例.DMS是生物硫從海洋進入大氣的主要形式.在大氣層中，DMS被光氧化形成氣溶膠硫酸鹽，這些氣溶膠顆粒有形成云凝結核的能力，從而控制著太陽光的反射、散射和吸收，并直接影響著全球的輻射預算，形成了一個包含浮游植物、大氣硫和氣候的完整地球物理反饋通路[87].另一方面，云量的增加會導致海表溫度下降和海水比重發生變化，同時促進了深層海水中營養鹽向上混合，從而提高了浮游植物的生產力[88-89].不同藻際細菌對DMSP的降解能力會調節DMSP轉化的方向，從而影響釋放到大氣中DMS的量.錯綜復雜的藻菌互作關系及由這些關系引起的藻際環境中有機物及信息化學物質的改變會對區域尺度上的氣候調節產生重要影響.

5.3 有害藻華與“以菌抑藻”

作為海洋中無可爭辯的主要生產者，浮游植物的大量增殖會給富營養的上升流區及高緯度的海岸帶區域帶來豐富的凈初級生產力（net primary production，NPP）.一方面，這些微型浮游藻類的增殖對水產養殖和漁業捕撈是有益的.另一方面，這種增殖可產生負面效應.海水中浮游藻類短時間內的大量增殖常常引起赤潮，使水產養殖、捕撈業和旅游業蒙受巨大的經濟損失，并對環境和人體健康產生嚴重的危害[90-91].進入21世紀以來，海洋赤潮發生的頻次和累計面積都有增加的趨勢，尤其是近10年的赤潮頻次和規模是20世紀后50年的兩倍多.據《中國海洋災害公報》報道：2013年我國沿海共發現赤潮45次，累計面積2620 km2；2014年，全海域共發現赤潮56次，累計面積達7290 km2.赤潮的爆發破壞了海洋生物的生存環境，引起海洋生態系統失衡惡化，漁業資源和海產養殖業受損，同時藻類毒素的產生嚴重威脅海洋生物和人類的生命安全，為此，尋找新的預防和治理赤潮的方法受到國內外海洋生物學者的高度關注[92].

赤潮的爆發與消亡，除了與原位環境中溫度、光照、鹽度、營養物質等理化因子有密切關系外，還與藻際環境中存在的細菌密不可分.赤潮的生消伴隨著赤潮藻與海洋細菌、放線菌、病毒等微生物相互作用，這些微生物在赤潮的生消過程中扮演著重要的角色，部分海洋細菌能起到抑制赤潮藻生長的作用[93-95].而由于具有種類多、豐度高、活性物質分離純化相對簡單等特點，海洋細菌已經成為科研工作者開展“以菌治藻”的首要菌物資源目標[91].大部分殺藻細菌是通過分泌溶解性殺藻物質殺死藻細胞的，這些胞外活性物質包括胞外酶[62]、多肽（如毒素P[96]）、氨基酸（如β-氰丙氨酸[97]）、抗生素[98]以及色素[99]等.細菌產生的殺藻活性物質可以通過抑制藻細胞分裂繁殖和裂解藻細胞的方式來減少藻細胞數量.但是殺藻活性物質作用下藻細胞死亡機理的研究卻相對較少，且沒有統一的結論，部分殺藻物質對不同藻類具有選擇性，可能與該物質的殺藻機理相關，闡釋殺藻功能菌的殺藻機理有助于揭示殺藻活性物質的生態安全性及在赤潮治理上的應用.

筆者團隊及合作者在前期系列研究中，從赤潮爆發海域原位環境分離到一株高效殺藻菌Hahella sp.KA22，能夠合成具有殺藻活性的色素——靈菌紅素（prodigiosin）.研究表明，靈菌紅素的殺藻效果具有良好的特異性，對赤潮異彎藻、球形棕囊藻和銅綠微囊藻的殺藻率均在50%以上，而對綠藻門和硅藻門的微藻，如鹽生杜氏藻和三角褐指藻等沒有明顯的殺藻效果，因此具有很好的應用價值和開發潛力[100-102].對其殺藻機制進行研究，發現殺藻菌脅迫下藻的葉綠體光合電子傳遞鏈功能受損，ROS清除相關酶基因轉錄水平降低，細胞內氧化壓力急劇升高，并激活后續的脅迫響應和鈣離子依賴的細胞死亡調控過程，最終導致赤潮異彎藻死亡[101].

6 藻際環境蘊藏著豐富的活性物質

由于海洋生態環境的特殊性，海洋生物物種間的生存競爭十分激烈，眾多海洋生物為能在嚴酷的環境下生存，從而代謝產生結構新穎、生物活性多樣的天然產物.據統計，目前從海洋生物中共分離鑒定結構新穎或活性顯著的天然產物已超過3萬種[103-104]，這些天然產物一直被視為藥物先導化合物的重要來源.然而，由于保護生態環境的需要，一些海洋動植物如珊瑚則被禁止采集，一些用于生產藥源分子的海洋生物因產量低、人工養殖困難，難以實現產業化發展.因此，尋找新的可持續發展海洋天然產物資源引起了化學家、生物學家和藥理學家的極大興趣.自2015年《Nature》發文闡明了小分子化合物在浮游藻類與共生菌之間的新型作用機制以來[51]，藻菌共生體成為挖掘新穎活性天然產物的重要模式系統[105].

6.1 浮游微藻來源的活性天然產物

根據藻類形態，海藻可分為大型海藻和浮游微藻兩類[106].目前，人們主要對大型海藻如褐藻、綠藻、紅藻等加以綜合利用，但這僅是海藻資源的一小部分.而蘊藏量巨大的微藻，是發現結構新穎且活性顯著天然產物的潛在來源，值得進一步深入研究.

由于其中一些藻種可引發海洋赤潮，且能分泌毒素，是產生腹瀉性貝類毒素（diarrhetic shellfish poisoning，DSP）的主要來源，因而受到全世界的廣泛關注[107].盡管這些微藻代謝產物存在毒性，但卻為新藥設計提供了思路.岡田軟海綿酸（okadaic acid，OA）是原甲藻的代表產物，不僅是DSP的主要組分，還是用于預防和治療阿爾茨海默癥的潛在藥物[108].作為典型的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶抑制劑，OA及其眾多衍生物一直是研究熱點.Lee等（2019）從原甲藻中鑒定了環亞胺毒素4-hydroxyprorocentrolide和prorocentrolide C，并發現化合物prorocentrolide C對腫瘤細胞HCT-116和Neuro-2a具有顯著的細胞毒活性，IC50分別為2.2和5.2 μM[109].近期，我國學者從中國南海前溝藻屬甲藻中發現了多個超級碳鏈化合物的新家族成員benthol A、gibbosols A和B等，并綜合運用了波譜解析、化學降解和量子化學計算等方法成功地詮釋其結構和絕對立體化學.活性測試表明benthol A具有顯著的抗瘧原蟲活性[110]，gibbosol A能夠顯著地促進細菌脂多糖誘導的人臍靜脈內皮細胞的血管細胞黏附分子的表達，而gibbosol B卻顯著地抑制血管細胞黏附分子的表達[111]，顯示了海洋微藻是一個存在無限潛力的天然藥庫（圖3）.

6.2 藻際細菌來源的活性天然產物

許多海洋微生物因環境中營養成分的匱乏，常與含有富營養成分的海洋動植物共生以獲得生存必需的營養.這種現象在海洋微生物中普遍存在并具有很高的特異性[112].海洋藻際環境中由于種類繁多的異養微生物競爭生態位，形成了結構復雜、功能多樣的微生物群落.在共同生存與進化過程中，定殖微生物發展出獨特的微型生境適應機制，預示著其次生代謝產物的特殊性，可能產生與宿主類似的藥理活性或生態功能的天然產物，因此，藻菌共生體成為挖掘新穎活性天然產物的重要模式系統[105].

Tropodithietic acid（TDA）是由海洋玫瑰桿菌類群細菌Roseobacter產生的一種含硫的廣譜性抗生素.藻際玫瑰桿菌Phaeobacter inhibins產生TDA與宿主赫氏球石藻動態共生，通過殺死有害的海洋病原菌從而保護宿主藻的健康生長[58].銅綠假單胞菌（Pseudoalteromonas tunicata）也能通過產生針對性的化合物抑制其它細菌生長，從而達到競爭優勢生態位的目的.在實現這一目的的過程中，該菌產生包括抗菌蛋白、抗藻肽、抗真菌生物堿以及紫色桿菌素等多種針對性的化合物.這些化學物質共同組成細菌的化學防御手段，以使得該菌在生存環境中具有較強的競爭力[113-115].海洋微生物代謝產物的化學結構和生物活性與陸生微生物有著明顯的不同，這是海洋微生物作為新藥藥源的重要基礎.盡管目前從海洋微生物中直接獲得藥物的成功例子為數不多，但這一資源產生新藥的巨大潛力不可忽視，因此，從藻際微生物中挖掘新穎活性天然產物，將為開發利用藻際微生物資源提供新的視角（圖3）.另一方面，從生態學的角度考慮，也有助于為探索微生物與宿主的關系及相互作用提供化學基礎.

圖3 海洋藻際環境是一個存在無限潛力的天然藥庫

7 展望

浮游植物及藻際細菌在海洋環境中的作用已經被廣泛認知，且兩者相互作用的藻際環境也被認為是海洋環境中物質交流和循環的熱點區域.然而，尚有一系列科學問題亟待解決.

藻菌相互作用關系建立的內在機制.以往研究中，往往將浮游微藻和細菌作為互不聯系的兩個類群，去研究其在海洋環境中的作用，結果也顯示兩者的確在物質的生物地球化學循環、氣候變化等過程中發揮關鍵作用.然而，兩者的作用可能被低估.其原因之一，就是沒有將兩者作為一個完整的體系，放在一個“微界面”中研究.因此，筆者認為“藻-菌微界面中宿主藻和藻際細菌如何建立穩定的共生關系？在建立共生關系的過程中，何種物質起到了關鍵的橋梁作用？”是目前藻菌相互作用關系中的首要解決的問題.

藻菌協同驅動碳的生物地球化學循環過程及作用.藻際環境中，浮游微藻和藻際細菌如何協同介導物質的生物地球化學循環，尤其是碳循環？兩者介導的碳轉化對海洋總有機碳循環的貢獻率有多大？在海洋碳匯中的作用如何？習近平主席提出的碳達峰與碳中和戰略，不僅是全球氣候治理、保護地球家園、構建人類命運共同體的重大需求，也是中國高質量發展、生態文明建設和生態環境綜合治理的內在需求.全球每年排放約400億噸的CO2中，23%被海洋吸收.海洋中浮游微藻能夠固定大量的CO2合成有機碳，其中多糖形式有機碳是藻類固定的有機碳中重要的一部分；而藻際細菌則能夠將這部分有機碳進一步轉化，其中一部分轉化為惰性有機碳儲存在海洋底部，這可以大大減緩溫室效應.因此，闡明“藻-菌”協同介導的碳循環過程，可以為通過“藻-菌”協同作用的方式減緩溫室效應提供理論和技術支持，服務于國家的碳達峰與碳中和戰略.

藻菌協同進化機制.藻際環境相較于海洋中其它生境，是一個營養豐富、信息交流頻繁的特殊生境，在這獨特的微環境中，宿主藻與藻際細菌如何協同進化？藻際細菌的微進化又是如何通過微進化適應藻際環境？前期研究中，筆者團隊與香港中文大學羅海偉博士合作開展了藻際環境中玫瑰桿菌類群細菌種群分化和集合種群產生的研究，發現了在同一生境中不同硅藻（不同種、同種不同株）的藻際環境中的玫瑰桿菌類群細菌發生了不同程度的分化，說明藻際環境是一個影響藻際玫瑰桿菌類群細菌之間基因流動的有效屏障，對表層海水中細菌的進化過程起到重要作用.開展藻際環境中藻菌協同進化機制研究，有助于揭示海洋環境中浮游植物和細菌進化的機制，明確微生物淺時進化的過程和機理.

藻際微生物菌質資源庫、基因組庫和化合物庫的構建.海洋微生物因獨特生境，具備產生新結構活性次級代謝產物能力，已成為新藥/活性物質研究開發的重要戰略新資源.藻際環境中蘊藏著巨大價值的微生物資源，是發掘新型天然產物資源寶庫.同時，隨著基因組測序技術的飛速發展，基于基因組預測的方法為新型天然產物的發現提供了新的研究思路與開發途徑.基因組數據不僅可以用來識別潛在的藥物靶標，還能用于尋找先前被忽視的次級代謝產物的生物合成途徑，定向發現新的天然產物藥物.因此，建立一個微生物種質資源庫與基因組庫，并以此為基礎發掘新的活性次級代謝產物，最終構建一個藻際新穎化合物庫是迫切需要的.