水生系统中微藻的繁盛与衰退模式对全球生物地球化学循环产生了巨大影响。藻类繁盛的衰退主要是由于营养物质的限制，导致细胞死亡、细胞分裂停止和存活细胞的衰老。营养物质的摄入可以重新启动藻类增殖，但相关过程尚不清楚。来自德国弗里德里希·席勒大学的研究人员描述了一种硅藻的衰老生理特征，这种特征伴随着代谢重组，即浮游细菌通过调节蛋氨酸循环和诱导微藻细胞外囊泡的产生，将有害代谢物从微藻细胞中转运出去。该发现在全球范围内可能为理解和建模浮游植物生态演替提供新的视角。相关内容以“Bacteria modulate microalgal aging physiology through the induction of extracellular vesicle production to remove harmful metabolites”为题在线发表于8月14日的微生物学国际顶级学术期刊Nature Microbiology杂志上。
光合海洋微藻（microalgae）形成的浮游植物（phytoplankton），几乎完成了全球一半的光合作用。浮游生物的组成非常复杂，特定时间内有数百种共存物种。依赖于非生物因素和生物相互作用，物种组成动态变化，导致每年浮游植物的演替。在有利条件下，微藻由于细胞增殖速度快于细胞死亡而形成繁盛（Blooming）。繁盛可能导致营养物质的耗竭，因此细胞受到压力，种群数量下降。因此，藻类繁盛的发展经历了休眠、繁盛启动和持续，最后进入衰亡阶段。在某些情况下，衰亡阶段的旧繁盛可以通过营养物质的流入而复苏，繁盛的种群重新出现。尤其是水平或垂直的平流可以恢复有利条件，导致繁盛的复兴。例如，增强的浮游植物生产力可能是由于岛屿周围的流动扰动和营养物质富集造成的。此外，海洋涡流的波动导致繁盛中的生物斑块，营养物质播种了一个充足的群落。营养物质的刷新也通过富含硅的水的上涌而实现。硅藻可以利用不稳定海洋前沿带到表面的硅。这样的情况可以在大规模实验性海洋施肥实验中触发，在这些实验中，像铁这样的限制资源被添加到水中，触发了本来受限细胞的增殖。这些现象的共同点是营养受限细胞从其受压状态的快速恢复和新繁盛的启动。尽管此类事件频繁发生，但将“老”且生长受限的浮游植物细胞转变为播种的“年轻”种群的生理过程尚未被理解。微藻可以通过多种方式适应变化的环境。老细胞和年轻细胞在生理、代谢组和有机代谢物向周围海水的分泌模式上存在显著差异。释放溶解有机物质的分泌过程可以通过为异养生物和混合营养生物提供有机碳，从而影响整个浮游生物群落。此外，释放的化学介质可以抑制竞争者的生长，并调节相关细菌和食草动物的表型。有机物质的释放也可以以囊泡的形式发生，这些囊泡运输多种化合物和酶，从而支持异养细菌的生长或促进病毒感染。与藻类相关的浮游细菌（bacterioplankton）群落也会调节繁盛。细菌可以通过化学介质促进或抑制藻类的增殖。例如，细菌可以为藻类提供必需的维生素，反过来获得有机营养物质。其他细菌则可以采用藻类杀灭的生活方式，杀死藻类并利用释放的资源生长。甚至记录到这些策略之间的动态转变，展示了连接的复杂性。由于这些依赖关系，细菌群落的组成也受到不同藻类物种的巨大影响。因此，浮游生物繁盛的复兴必须在与之相关的细菌的背景下进行考虑。基于细菌群落与藻类之间的关系，研究人员探讨了藻类细胞在从营养限制中恢复的过程中经历的生理和代谢适应，以及相关细菌对这一过程的影响。研究人员特别描述了形成繁盛的硅藻——辐射圆筛藻（Coscinodiscus radiatus）——在营养物质流失后如何从饥饿中恢复。这种再生过程是通过细胞外囊泡介导的，这些囊泡将活性氧、氧脂素和其他有害代谢物从老细胞中转运出去，从而重新使其增殖成为可能。通过对老化细胞施加营养脉冲并进行代谢组监测，在辐射圆筛藻中，调控途径集中在蛋氨酸循环上。共同培养实验表明，细菌介导了衰老过程，并通过化学信号触发囊泡的产生。这项工作为复杂微生物群落中的细胞衰老和再生开辟了新的视角。参考文献：Bacteria modulate microalgal aging physiology through the induction of extracellular vesicle production to remove harmful metabolites. Nat Microbiol. 2024 Aug 14. doi: 10.1038/s41564-024-01746-2.
