群体感应信号介导的菌群行为对藻类生消的调节

Algal blooms (Abs) are widespread and common worldwide occurrences and can exert severe negative impacts on marine ecosystems, and as such, the mechanisms involved in promoting Abs have become an active area of research. Previous studies have proved that symbiotic microorganisms play an important role in Abs dynamic processes, and the ecological function of symbiotic microorganisms is regulated by chemical signals. However, there is still little knowledge about which kinds of signals affect microbial behavior and how microbes and algae interact. Key to these questions is how the internal regulatory mechanism of the signal-regulated microbe's behavior impacts Abs. To better understand these relationships we propose to examine quorum sensing (QS) signals during a Scrippsiellatro choidea bloom to investigate: 1) QS (biological characterization and chemical structure)in regard to their spatial & temporal distribution during various Abs stages; 2) the regulatory role of QS on the microbial community composition and dynamic shifts within the phycosphere environment; 3) the QS signal regulation of biofilms and micro-food loop characterization impacted by microbial behavior; and 4) the molecular response characteristics of algae to the QS signal at the metabolic and transcription level. This research aims to clarify the cascading relationship among the quorum sensing signals produced by bacteria, the dynamics of compositional shift of the microbial community and how this impacts algal bloom development. This proposal will further elucidate the potential influence of microbial community regulation on algal bloom processes. Additionally, it will develop a better understanding of potential causes and micro-ecological processes involved in algal blooms from a chemical ecology perspective.

赤潮作为一类典型的生态事件，其形成过程一直是国际上关注的热点。现已知道藻类共生菌在赤潮的形成中扮演着重要的生态学作用，且共生菌功能的发挥受化学信号的调节。然而，化学信号如何调控微生物的组成、结构与共生环境，进而对藻类生消产生影响尚不明了。据此，本课题在前期工作的基础上，以锥状斯氏藻为受试生物，以微生物群体感应信号（quorum sensing，QS）为核心，研究QS信号的产生（种类、性质、化学属性），QS信号对菌群结构的调节（多样性组成、群落结构），QS信号介导的菌群行为对藻际环境的影响（生物被膜的形成、微食物环的贡献），以及藻细胞应答的代谢特征和分子机制（光合效率、生理状态、转录表达），以阐明QS信号介导的菌群行为对藻类的影响与动态调节。本课题的完成有望揭示"QS信号→菌群行为→共生环境→藻类应答"的级联效应，了解信号驱动下的生态行为，从化学生态学视角认识赤潮形成的可能机理与微生态过程。

赤潮是一种典型的海洋生态灾害，其发生的过程与共生微生物息息相关。然而，藻际微生物的作用与调节机制还认识得不够深入。为此，本项目首先研究了甲藻赤潮过程中微生物的动力学过程，并从群体感应信号（quorum sensing，QS）入手探讨了微生物结构形成的分子机制。借助野外爆发的一次完成赤潮样本，我们对三个不同的水华阶段进行了研究。藻际附着菌和游离菌都对藻华事件有较强的反应，且后者比前者敏感。零模型分析表明，附着菌群落的更替主要受环境选择的驱动，而漂浮和扩散对游离菌的组装有显著影响。环境参数对样品间变异性的相对贡献为35.3%。正负关系分别是影响藻类水华命运的主要驱动力。此外，环境微生物之间的复杂关系也受到QS信号的调节。了解基于QS信号可以揭示某些环境中的微生物群落之间的相互作用。虽然QS特性已经被广泛讨论，但是关于QS在大气微生物中的作用的研究很少。在此，我们使用基于培养的方法和宏基因组学方法来检测赤潮中AI-1类QS自诱导物的概况。实验中共筛选了大约1200株海洋细菌，检测出184株（15.3%）为阳性，主要来自变形杆菌，拟杆菌和和放线菌门。薄层色谱（TLC）检测显示出所筛选的阳性菌株可以产生至少一种活性化合物。高效液相色谱-质谱联用技术（UPLC-MS）对菌株活性成分进行了鉴定，碳链长度范围为C4～C14。宏基因组数据中，共鉴定出3001个AI-1同源物和130个AI-2同源物。AI组的主要成员是HdtS。HdtS、AinS和LuxS的丰度随赤潮延长而增加，而LuxI的丰度则相反。系统发育分析表明，HdtS和LuxI合成酶主要来源于α、β和γ变形杆菌，而AinS合成酶多来源于弧菌。赤潮爆发期间优势种与QS信号之间存在显著相关（r>0.6, P<0.01）。藻际微生物的功能分析表明，微生物主要改变了藻际微环境的溶解有机C的可利用性，证实C源是赤潮生消的主要能源。这些结果表明，环境参数、C源属性和QS信号参与藻类水华过程中微生物群落的调节。这些数据有助于揭示藻类共生细菌的特征行为，并有助于从化学生态学角度更好地理解藻类水华事件期间的微生物动力学。