甘南琴,魏 念,2,宋立榮

(1:中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072)(2:中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

微囊藻毒素生物學(xué)功能研究進(jìn)展

甘南琴1,魏 念1,2,宋立榮1

(1:中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，淡水生態(tài)與生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072)(2:中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

我國(guó)淡水水體藍(lán)藻水華的頻繁發(fā)生已成為我國(guó)目前和今后長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)面臨的重大水環(huán)境問(wèn)題. 微囊藻(Microcystis)因其產(chǎn)生對(duì)人類健康具有危害的微囊藻毒素而尤其受到重視. 研究者對(duì)構(gòu)成藍(lán)藻水華的主要種類、微囊藻毒素的毒性、毒理等方面的認(rèn)識(shí)逐漸明晰，但對(duì)微囊藻毒素生物學(xué)功能的了解還相對(duì)較少. 本文對(duì)微囊藻毒素的產(chǎn)生，尤其是近年來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展在微囊藻毒素生物學(xué)功能方面的研究開(kāi)展討論:總結(jié)了微囊藻毒素可能作為化感物質(zhì)、參與光合作用、在微囊藻的越冬或復(fù)蘇中可能發(fā)揮的作用以及可能參與微囊藻群體形成及維持等4個(gè)方面的生物學(xué)功能；分析了微囊藻毒素作為信號(hào)分子的研究現(xiàn)狀；探討了全球氣候變化及實(shí)驗(yàn)室模擬條件下微囊藻毒素產(chǎn)毒與無(wú)毒株的競(jìng)爭(zhēng)，并對(duì)微囊藻毒素未來(lái)的研究熱點(diǎn)及組學(xué)技術(shù)可能在其研究中的應(yīng)用進(jìn)行了展望.

微囊藻毒素；生物學(xué)功能；微囊藻；藍(lán)藻水華

近十多年來(lái)，我國(guó)眾多淡水水體藍(lán)藻水華的發(fā)生呈現(xiàn)出大范圍、高頻次、高生物量特征，引起水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的失衡并直接或間接地影響到人類健康，這已成為我國(guó)目前和今后長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)面臨的重大水環(huán)境問(wèn)題. 在世界范圍內(nèi)，藍(lán)藻水華事件出現(xiàn)上升勢(shì)頭，其分布擴(kuò)張范圍擴(kuò)大；在一些地區(qū)，每年藍(lán)藻水華的暴發(fā)和持續(xù)已成為常態(tài). 微囊藻(Microcystis)是全球性廣泛分布的水華藍(lán)藻，是我國(guó)水體中藍(lán)藻水華的主要構(gòu)成種類，因其產(chǎn)生對(duì)人類健康具有危害的藍(lán)藻毒素——微囊藻毒素而尤其受到高度重視. 目前藍(lán)藻毒素的生態(tài)學(xué)功能是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一. 2013年在南非召開(kāi)的第九屆產(chǎn)毒藍(lán)藻國(guó)際大會(huì)上設(shè)立專題“Natural function of cyanotoxin”聚焦這一問(wèn)題，2016年10月在武漢召開(kāi)的第十屆會(huì)議上，此問(wèn)題仍然得到關(guān)注.

我國(guó)湖泊發(fā)生的藍(lán)藻水華中，微囊藻是主要的水華優(yōu)勢(shì)種，其產(chǎn)生的毒素為肝毒素微囊藻毒素(microcystins，MCs). 早期研究認(rèn)為，微囊藻毒素是一類次生代謝產(chǎn)物，無(wú)明顯的生理功能. 近年研究發(fā)現(xiàn)：微囊藻毒素可能參與胞內(nèi)信號(hào)傳遞與基因調(diào)控[1]；高光強(qiáng)條件可促進(jìn)微囊藻毒素與卡爾文循環(huán)等光合活性酶(Calvin cycle enzymes)的結(jié)合，導(dǎo)致野生型比突變株(ΔmcyBmutant)更加具有耐受高光強(qiáng)及氧化脅迫的優(yōu)勢(shì). 這些研究結(jié)果表明，微囊藻毒素不是簡(jiǎn)單的次生代謝產(chǎn)物，而是具有重要功能的細(xì)胞內(nèi)化合物[2]. 隨著微囊藻毒素與微囊藻細(xì)胞內(nèi)多種蛋白質(zhì)結(jié)合的發(fā)現(xiàn)，微囊藻毒素生物學(xué)功能的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段. 本文在早期綜述的基礎(chǔ)上[3]，介紹微囊藻毒素的產(chǎn)生，著重介紹微囊藻毒素的生物學(xué)功能及有毒、無(wú)毒株的競(jìng)爭(zhēng)，并簡(jiǎn)要評(píng)述該研究領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì).

1 微囊藻毒素的產(chǎn)生及影響因素

研究發(fā)現(xiàn)并非所有的微囊藻藻株都能夠產(chǎn)生微囊藻毒素，微囊藻有毒株(toxic strains)與無(wú)毒株(nontoxic strains)的毒性由遺傳決定. 為了證實(shí)這一觀點(diǎn)，遺傳學(xué)家們開(kāi)展了大量的微囊藻遺傳結(jié)構(gòu)研究，有關(guān)微囊藻毒素合成酶基因叢(mcyclusters)及其轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)的研究也已日趨完善. Nishizawa等[4-5]首次發(fā)現(xiàn)了3個(gè)與微囊藻毒素合成有關(guān)的基因：mcyA、mcyB和mcyC. 此后，以篩選文庫(kù)的方法克隆和測(cè)序了34 kb的產(chǎn)毒微囊藻DNA片斷，再次分離到mcyD、mcyE、mcyF和mcyG4個(gè)基因. 這4個(gè)基因組成的操縱子位于mcyA的上游，與mcyABC組成的操縱子方向相反. Tillett等[6]通過(guò)基因突變和突變體分析，在一55 kb長(zhǎng)的DNA片段中找到了2個(gè)操縱子，由10個(gè)雙向轉(zhuǎn)錄的開(kāi)放閱讀框組成, 即mcyA-C和mcyD-J.

微囊藻毒素的產(chǎn)生又受多種環(huán)境因素的影響，如光照、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽等，其中光照是毒素產(chǎn)生的一個(gè)重要制約因子. Utkilen等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在高光照條件下溫度對(duì)毒素的產(chǎn)率幾乎沒(méi)有影響，只有低光照條件下溫度才影響毒素的產(chǎn)率. 在一定的光照范圍內(nèi)，微囊藻毒素的含量隨著光強(qiáng)的增加而增加[8]. 而在營(yíng)養(yǎng)鹽的研究中發(fā)現(xiàn)，氮是微囊藻毒素含量最顯著的調(diào)控因子[9]. Harke等[10]對(duì)不同限制條件下細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄組的變化研究發(fā)現(xiàn)，僅在低氮條件下，所有微囊藻毒素合成基因(mcyABCDEF)均下調(diào)，且單位細(xì)胞毒素含量與培養(yǎng)基中無(wú)機(jī)氮濃度呈顯著正相關(guān). 另外，氮調(diào)節(jié)蛋白NtcA可以結(jié)合到微囊藻毒素合成基因mcyA/D的啟動(dòng)子區(qū)域，參與微囊藻毒素的表達(dá)調(diào)控[11-12]. 微量元素鐵對(duì)微囊藻毒素含量也有顯著影響，降低鐵的濃度會(huì)顯著提高毒素的產(chǎn)率[13-14]. 與鐵吸收相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子鐵吸收調(diào)節(jié)蛋白(ferric uptake regulator, Fur)可以結(jié)合到mcy基因的啟動(dòng)子區(qū)域[15]，如已經(jīng)鑒定到的FurA可以結(jié)合到mcyS的啟動(dòng)子區(qū)域[16]，表明Fur可能與缺鐵條件下毒素合成增加有關(guān). Orr等[17]則提出微囊藻毒素的產(chǎn)生與微囊藻細(xì)胞的生長(zhǎng)速率密切相關(guān)，即微囊藻毒素的產(chǎn)率在細(xì)胞指數(shù)生長(zhǎng)初期達(dá)到最大，在指數(shù)生長(zhǎng)后期開(kāi)始下降，此結(jié)論隨后得到多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證[18-19].

環(huán)境因素同時(shí)也影響mcy基因的轉(zhuǎn)錄水平，其中研究較多的是光照及缺鐵條件下mcy基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控. Sevilla等[13]研究發(fā)現(xiàn)，鐵饑餓狀態(tài)能引起mcy基因轉(zhuǎn)錄水平的顯著提高和毒素含量的明顯增加. Kaebernick等[20]的研究也發(fā)現(xiàn)，高光強(qiáng)可引起mcy基因轉(zhuǎn)錄水平顯著提高，但毒素含量無(wú)顯著變化. Straub等[21]就此問(wèn)題開(kāi)展了深入研究，發(fā)現(xiàn)高光強(qiáng)條件下，mcy基因叢中mcyB基因只上調(diào)了20%，而mcyA、mcyH和mcyD的轉(zhuǎn)錄水平分別上調(diào)了270%、330%和370%.

2 微囊藻毒素的生物學(xué)功能

目前，對(duì)微囊藻毒素生物學(xué)功能的認(rèn)識(shí)主要包括以下4個(gè)方面：(1)微囊藻毒素作為化感物質(zhì)抵御外界侵?jǐn)_；(2)微囊藻毒素參與光合作用；(3)微囊藻毒素可能對(duì)微囊藻的越冬或復(fù)蘇起到一定作用；(4)微囊藻毒素可能參與微囊藻群體的形成及維持過(guò)程. 現(xiàn)分別歸納分析如下：

2.1 微囊藻毒素作為化感物質(zhì)抵御外界侵?jǐn)_

早期研究認(rèn)為：微囊藻毒素可能作為抵御外界侵?jǐn)_的化感物質(zhì)，用于抑制其他光合自養(yǎng)生物的生長(zhǎng)而利于自身的繁殖[22]，并且抵御浮游動(dòng)物的攝食[23]. Phelan等[24]研究發(fā)現(xiàn)外源添加的微囊藻毒素可以進(jìn)入集胞藻內(nèi)并結(jié)合到內(nèi)囊體膜上抑制集胞藻光合系統(tǒng)Ⅱ的活性. Yang 等[25]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)可能產(chǎn)生包括微囊藻毒素在內(nèi)的化感物質(zhì)抑制不產(chǎn)毒的惠氏微囊藻(Microcystiswesenbergii)的生長(zhǎng)，為野外水體藍(lán)藻水華暴發(fā)期微囊藻毒素產(chǎn)毒株優(yōu)勢(shì)地位提供一定的解釋. Schatz等[26]研究則發(fā)現(xiàn)，機(jī)械處理或者脅迫等條件下裂解細(xì)胞內(nèi)釋放的微囊藻毒素可被存活微囊藻細(xì)胞感知，存活微囊藻細(xì)胞進(jìn)而顯著提高微囊藻毒素基因表達(dá)量和微囊藻毒素含量適應(yīng)脅迫環(huán)境，表明微囊藻毒素可能作為種內(nèi)細(xì)胞交流的化感物質(zhì). 但是，也有許多研究結(jié)果否定了微囊藻毒素作為化感物質(zhì)的可能. 系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究發(fā)現(xiàn)微囊藻毒素合成基因在藍(lán)藻進(jìn)化過(guò)程中一直存在，微囊藻毒素合成早于水生動(dòng)物的出現(xiàn)，否定了微囊藻毒素抵御浮游動(dòng)物攝食的功能[27]. Bártová等[28]研究發(fā)現(xiàn)在綠藻月牙藻(Selenastrumbibraianum)中添加純化的微囊藻毒素或銅綠微囊藻細(xì)胞粗提取液(微囊藻毒素濃度為300 μg/L)均對(duì)月牙藻生長(zhǎng)沒(méi)有影響. 添加微囊藻毒素甚至可能促進(jìn)衣藻(Chlamydomonas)和小球藻(Chlorella)的生長(zhǎng)[29-30]. Ma等[31]研究發(fā)現(xiàn)在水華束絲藻(Aphanizomenonflos-aquae)培養(yǎng)物中添加微囊藻胞外提取物可以顯著抑制水華束絲藻的生長(zhǎng)但添加純化的Microcystin-LR (MC-LR)對(duì)水華束絲藻的生長(zhǎng)并沒(méi)有影響，表明可能微囊藻毒素以外的代謝產(chǎn)物在水華束絲藻生長(zhǎng)抑制中發(fā)揮了作用. 微囊藻毒素作為化感物質(zhì)的生物學(xué)功能有待商榷.

2.2 微囊藻毒素參與光合作用

在影響微囊藻毒素產(chǎn)生的環(huán)境因素中已提到，光照是毒素產(chǎn)生的一個(gè)重要制約因子，因此有科學(xué)家猜測(cè)微囊藻毒素有可能在微囊藻的光合作用上具有一定的功能. 直到2011年，Dittmann研究小組發(fā)現(xiàn)在高光強(qiáng)下微囊藻毒素與卡爾文循環(huán)等光合活性酶相結(jié)合，顯示了野生型比突變株更加耐受高光強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[32]. 同時(shí)，高光條件下微囊藻毒素與RuBisCO的結(jié)合更利于提高其氧化反應(yīng)活性，從而益于產(chǎn)毒株細(xì)胞降低細(xì)胞內(nèi)氧氣濃度并更快耗費(fèi)細(xì)胞內(nèi)高光合速率積累的能量，避免氧化損傷. 該研究直接證明了微囊藻毒素的胞內(nèi)功能，對(duì)深入認(rèn)識(shí)毒素的生物學(xué)功能做出了重要貢獻(xiàn). 代謝組學(xué)結(jié)果也表明，在高光條件下，微囊藻毒素能協(xié)助微囊藻細(xì)胞更好地適應(yīng)脅迫環(huán)境. 與無(wú)毒突變株相比，高光條件下，產(chǎn)毒株具有更高的光合效率，也更能耐受高光引起的培養(yǎng)液高pH[33].

另有學(xué)者認(rèn)為，微囊藻毒素在微囊藻指數(shù)生長(zhǎng)期產(chǎn)量最高，而在此時(shí)期，營(yíng)養(yǎng)鹽相對(duì)限制，光合作用可利用的碳可能首先成為限制因子. 因此J?hnichen等[34]猜測(cè)微囊藻毒素有可能參與CO2濃縮機(jī)制(Carbon Dioxide Concentrating Mechanism, CCM)，從而在藍(lán)藻細(xì)胞適應(yīng)波動(dòng)的無(wú)機(jī)碳時(shí)起到作用. 微囊藻毒素有毒株在低CO2條件下更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也可從側(cè)面反映了微囊藻毒素可能在細(xì)胞適應(yīng)低無(wú)機(jī)碳中發(fā)揮著重要作用[35]. 對(duì)3株有毒株和3株無(wú)毒株的蛋白組比較發(fā)現(xiàn)，有毒株與無(wú)毒株的差異蛋白主要與碳-氮代謝和氧化還原平衡有關(guān)，這些差異蛋白就包括碳濃縮機(jī)制蛋白CcmK3和CcmL[36]. 這些結(jié)果均表明微囊藻毒素在碳代謝和光合作用上具有重要的生物學(xué)功能.

2.3 微囊藻毒素可能對(duì)微囊藻的越冬或復(fù)蘇起到一定作用

Ihle等[37]對(duì)微囊藻生活史的4個(gè)階段(復(fù)蘇(reinvasion)、生長(zhǎng)(pelagic growth)、沉降(sedimentation)、越冬(overwintering))中底泥里微囊藻毒素及微囊藻生物量連續(xù)3年監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：復(fù)蘇階段毒素及藻生物量均減少，沉降階段毒素及藻生物量增加，但整個(gè)生長(zhǎng)或越冬時(shí)期，毒素含量及藻生物量保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài). 由此推斷，微囊藻毒素在細(xì)胞越冬時(shí)未釋放，可能對(duì)微囊藻的越冬或復(fù)蘇起了某種作用. Schatz等[26]研究也發(fā)現(xiàn)正在分解的微囊藻細(xì)胞釋放的微囊藻毒素可增強(qiáng)細(xì)胞的聚集，改進(jìn)其他存活細(xì)胞的適應(yīng)性. 但Misson等[38]在研究毒素對(duì)微囊藻復(fù)蘇的影響時(shí)并未發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)毒微囊藻藻株具有較高的復(fù)蘇率，相反毒素含量越低的藻株復(fù)蘇率越高，并且添加毒素會(huì)降低微囊藻的復(fù)蘇率. 因此，有關(guān)微囊藻毒素在微囊藻的越冬或復(fù)蘇中起到一定作用的說(shuō)法還存在爭(zhēng)議，有待進(jìn)一步研究.

2.4 微囊藻毒素可能參與微囊藻群體的形成及維持過(guò)程

Jungmann等[39]在研究自然水體環(huán)境因子對(duì)微囊藻毒素合成的影響中，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的多個(gè)理化因子與藍(lán)藻毒素濃度無(wú)顯著相關(guān)性；但根據(jù)體積將微囊藻群體分為不同組分，發(fā)現(xiàn)群體越大，毒素含量越高，這是有關(guān)自然水華微囊藻群體與毒素相關(guān)性的首次報(bào)道. Kurmayer等[40]對(duì)野外單個(gè)群體微囊藻的尺寸大小及產(chǎn)毒量分析發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)毒微囊藻的產(chǎn)毒量與群體大小呈正相關(guān). 這些發(fā)現(xiàn)與微囊藻群體形成中群體膠被的解釋是相吻合的. Kehr等[1]則試圖從分子水平加以探討：外加過(guò)量表達(dá)的MVN(microvirin，一種凝集素)于MVN突變株中觀察到明顯的細(xì)胞聚集(cell aggregates)，這一現(xiàn)象說(shuō)明微囊藻細(xì)胞中含有的MVN 可能參與了微囊藻細(xì)胞間的識(shí)別及微囊藻群體的形成. 與此同時(shí)，MVN與微囊藻毒素關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，MVN缺失突變株中微囊藻毒素含量明顯減少，而微囊藻毒素缺失突變株中MVN的表達(dá)異常，表明微囊藻毒素與MVN之間很可能存在功能上的相互關(guān)系. Sedmak等[41]發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)條件下，微囊藻毒素可誘導(dǎo)微囊藻及柵藻(Scenedesmus)等浮游植物形態(tài)及生理的改變，促進(jìn)單細(xì)胞微囊藻聚集為小群體. 我們實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn)：環(huán)境劑量微囊藻毒素(環(huán)境中通常可檢測(cè)到的微囊藻毒素濃度(0.25～1 μg/L))可顯著增大微囊藻群體的尺寸(約3倍以上)，而及時(shí)、持續(xù)地清除釋放到胞外的微囊藻毒素分子，微囊藻群體的尺寸則會(huì)顯著減小，表明天然環(huán)境濃度下的微囊藻毒素對(duì)微囊藻群體形態(tài)的維持具有重要作用[42]. 在野外環(huán)境中，鞭毛蟲(chóng)的攝食和高光強(qiáng)可能是微囊藻群體形成最主要的原因，其他因素如營(yíng)養(yǎng)鹽限制[43]、附生和浮游細(xì)菌[44]可能也參與群體的形成和維持. 在野外水體中尤其在水華期間，環(huán)境劑量的微囊藻毒素可能更多地參與微囊藻群體的維持，從而保持其在水華期間的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).

3 微囊藻毒素作為信號(hào)分子的研究現(xiàn)狀

關(guān)于微囊藻毒素作為信號(hào)分子的說(shuō)法主要基于以下3篇報(bào)道：(1)德國(guó)Dittmann研究小組的發(fā)現(xiàn)：微囊藻毒素可能參與胞內(nèi)信號(hào)傳遞與基因調(diào)控[1]；(2)以色列研究小組發(fā)現(xiàn)正在分解的微囊藻細(xì)胞釋放的微囊藻毒素或可作為微囊藻群落的信息化學(xué)物質(zhì)(infochemicals)，增強(qiáng)細(xì)胞的聚集，改進(jìn)其他存活細(xì)胞的適應(yīng)性[21]；(3)我們近期研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)毒微囊藻細(xì)胞在生長(zhǎng)過(guò)程中釋放到胞外的微囊藻毒素具有信號(hào)物質(zhì)的功能，微囊藻毒素可通過(guò)激活產(chǎn)毒及非產(chǎn)毒微囊藻細(xì)胞中部分與多糖合成相關(guān)基因的表達(dá)，誘導(dǎo)一系列胞外多糖產(chǎn)物的釋放，進(jìn)而促進(jìn)微囊藻群體的聚集[42].

在近期對(duì)PCC7806及其mcyB無(wú)毒突變株的轉(zhuǎn)錄組研究中發(fā)現(xiàn)，突變株pksI-pksIII基因簇表達(dá)量顯著高于有毒株. 在突變株中外源添加終濃度為50 ng/ml的MC-LR后，突變株中pksI-pksIII基因簇表達(dá)量下調(diào)，且該基因簇對(duì)外源MC-LR的響應(yīng)是高度特異性的. 表明外源的MC-LR可以調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路，此結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了微囊藻毒素的信號(hào)分子作用[45].

Jüttner等[46]發(fā)現(xiàn)微囊藻毒素可與藻膽素(Phycobilins)結(jié)合，有利于提高其在細(xì)胞內(nèi)的濃度，且與蛋白質(zhì)結(jié)合的微囊藻毒素在純化時(shí)無(wú)法與C18萃取小柱結(jié)合，可能導(dǎo)致微囊藻毒素的定量偏差. 使用抗微囊藻毒素抗體，Vela等[47]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)微囊藻毒素可與藻細(xì)胞內(nèi)的多種蛋白質(zhì)結(jié)合. 還原劑DTT和表面離子活性劑SDS均對(duì)結(jié)合無(wú)影響，微囊藻毒素的結(jié)合不改變結(jié)合蛋白質(zhì)的等電性質(zhì). 比較產(chǎn)微囊藻毒素與產(chǎn)微囊藻毒素缺失株，Zilliges等[32]發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)微囊藻毒素細(xì)胞內(nèi)，微囊藻毒素可以與特定蛋白質(zhì)結(jié)合，并證明微囊藻毒素與特定蛋白質(zhì)之間的結(jié)合方式和微囊藻毒素與PP1的結(jié)合方式一樣，即通過(guò)Mdha殘基與特定蛋白質(zhì)Cys殘基形成硫醚鍵而共價(jià)結(jié)合.

Meissner等[48]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)藻細(xì)胞中約有30%～40%的微囊藻毒素與蛋白質(zhì)結(jié)合. 在高光條件下，與特定蛋白質(zhì)結(jié)合的微囊藻毒素增多至50%～60%，其占細(xì)胞總微囊藻毒素的比例甚至可能超過(guò)游離的微囊藻毒素. 而在此條件下，細(xì)胞中游離的微囊藻毒素含量并未發(fā)生顯著性改變，進(jìn)一步表明與蛋白質(zhì)結(jié)合的微囊藻毒素可能在細(xì)胞中具有重要作用.

4 微囊藻有毒與無(wú)毒株的競(jìng)爭(zhēng)

目前有關(guān)微囊藻有毒與無(wú)毒株的競(jìng)爭(zhēng)主要集中在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)改變培養(yǎng)條件下的研究：如，改變培養(yǎng)溫度，發(fā)現(xiàn)溫度升高(+4℃)可以促進(jìn)產(chǎn)毒株在水華群體中占更大的比例，或者促進(jìn)細(xì)胞合成更多毒素合成mcyD基因. 升高的溫度結(jié)合富營(yíng)養(yǎng)化(磷濃度升高)促進(jìn)產(chǎn)毒結(jié)果更顯著，推測(cè)隨著全球溫室效應(yīng)和富營(yíng)養(yǎng)化，水體水華趨于具有更高毒性[49]. 伴隨著臭氧層的破壞，到達(dá)地面的紫外輻射也日益增強(qiáng)，Ding等[50]研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)毒株對(duì)UVB輻射更敏感，受UVB輻射后其恢復(fù)率也更低；相對(duì)無(wú)毒株，產(chǎn)毒株更能耐受環(huán)境劑量的UVB輻射，微囊藻毒素可能協(xié)助有毒株抵御UVB輻射造成的氧化脅迫，環(huán)境UVB輻射的增加可能顯著改變藍(lán)藻水華組成和多樣性而有利于產(chǎn)毒株在水華期間的主導(dǎo)地位. Van de Waal等[35]則發(fā)現(xiàn)有毒微囊藻株與無(wú)毒株在無(wú)機(jī)碳的利用方面存在差異，有毒株較無(wú)毒株在適應(yīng)低濃度CO2條件時(shí)更具優(yōu)勢(shì). 由此推斷，隨著環(huán)境CO2濃度的升高，有害藻類水華的群落組成及毒性有可能發(fā)生改變. 李偉等[51]人工模擬酸雨研究了不同pH處理后產(chǎn)毒株和無(wú)毒株的光合生理變化及其對(duì)紫外輻射的敏感性，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)毒株較無(wú)毒株更能耐受酸雨和紫外輻射. 其結(jié)果也表明隨著未來(lái)全球環(huán)境的變化，產(chǎn)毒株可能更具有優(yōu)勢(shì). Wang等[52]研究結(jié)果則顯示光合作用在產(chǎn)毒株與無(wú)毒株的演替中起到了重要的作用. 作者選取了3株有毒株和3株無(wú)毒株，發(fā)現(xiàn)在不同營(yíng)養(yǎng)水平和高光條件下，產(chǎn)毒株與無(wú)毒株的光合系統(tǒng)響應(yīng)存在明顯的差異，產(chǎn)毒株和無(wú)毒株在水華不同時(shí)期光合效率的不同導(dǎo)致其優(yōu)勢(shì)差異. Lei等[53]研究了不同溫度、光照及不同氮磷濃度條件產(chǎn)毒株與無(wú)毒株的競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)現(xiàn)雖然單培養(yǎng)條件下無(wú)毒株生長(zhǎng)速率高于產(chǎn)毒株，但在同樣條件的產(chǎn)毒株與無(wú)毒株共培養(yǎng)條件下產(chǎn)毒株占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì).

Briand等[54]的研究結(jié)果表明在營(yíng)養(yǎng)限制的條件如氮限制、低溫低光照條件下產(chǎn)毒株占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì)，但是在營(yíng)養(yǎng)充足的條件下在與有毒株的混合培養(yǎng)中則是無(wú)毒株占據(jù)優(yōu)勢(shì)，表明環(huán)境條件差異可能導(dǎo)致產(chǎn)毒與無(wú)毒株的優(yōu)勢(shì)差異. 使用產(chǎn)毒株及其mcyB突變株的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果[55]表明產(chǎn)毒株在營(yíng)養(yǎng)充足條件下失去優(yōu)勢(shì)地位可能與其在營(yíng)養(yǎng)充足條件下產(chǎn)生毒素所耗費(fèi)的能量有關(guān). 在營(yíng)養(yǎng)充足的條件下，產(chǎn)生毒素動(dòng)用相關(guān)細(xì)胞內(nèi)代謝過(guò)程及耗費(fèi)的能量可能大于毒素在產(chǎn)毒株中具有的相關(guān)生物學(xué)功能優(yōu)勢(shì)，從而導(dǎo)致無(wú)毒株在混合培養(yǎng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì). 在另外一個(gè)采用不同產(chǎn)毒株與無(wú)毒株混培來(lái)比較不同光強(qiáng)條件下產(chǎn)毒株與無(wú)毒株競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的研究[56]中，產(chǎn)毒株在不同光強(qiáng)條件下均占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)，這可能與實(shí)驗(yàn)所選取的株系差異有關(guān).

我們實(shí)驗(yàn)室研究了近3年太湖北部湖區(qū)優(yōu)勢(shì)藻類演替及其理化參數(shù)的動(dòng)力學(xué)，并比對(duì)歷史數(shù)據(jù)，提出近10年來(lái)太湖優(yōu)勢(shì)微囊藻種類的演替格局基本一致，水華暴發(fā)期產(chǎn)毒藻類的比例在45%～55%之間波動(dòng)，單位細(xì)胞毒素濃度保持相對(duì)穩(wěn)定[57].

5 展望

5.1 全球環(huán)境變化下微囊藻有毒與無(wú)毒株的競(jìng)爭(zhēng)演替格局

分析近10年來(lái)發(fā)表的太湖藍(lán)藻水華優(yōu)勢(shì)種群演替和藍(lán)藻毒素濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：近10年來(lái)，太湖北部區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽濃度尤其是總氮濃度有所下降. 但太湖北部區(qū)域優(yōu)勢(shì)水華的產(chǎn)毒能力仍維持較高水平，藍(lán)藻毒素濃度未明顯下降，局部區(qū)域存在較高的風(fēng)險(xiǎn). 隨著全球氣候的變化，微囊藻有毒與無(wú)毒株的競(jìng)爭(zhēng)演替格局是否會(huì)發(fā)生變化將成為關(guān)注的焦點(diǎn)，這一格局的變化又會(huì)對(duì)人類和生態(tài)環(huán)境起到怎樣的影響也將是備受關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題.

5.2 微囊藻毒素與細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)合

微囊藻毒素與Calvin Cycle重要蛋白質(zhì)RuBisCO的結(jié)合直接證明了微囊藻毒素在細(xì)胞內(nèi)所發(fā)揮的作用[32]. 我們實(shí)驗(yàn)前期研究發(fā)現(xiàn)不同生長(zhǎng)條件下微囊藻毒素結(jié)合的蛋白質(zhì)存在差異，這種差異可能與微囊藻的生存策略有關(guān). 蛋白質(zhì)是細(xì)胞代謝通路的直接功能行使者，微囊藻毒素與蛋白質(zhì)結(jié)合可以穩(wěn)定其化學(xué)構(gòu)象從而維持其功能，這些蛋白質(zhì)的功能直接反映了微囊藻毒素所具有的生物學(xué)功能，微囊藻毒素結(jié)合蛋白質(zhì)的研究也將是未來(lái)的重要研究方向.

5.3 組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用

已有的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)和蛋白組學(xué)結(jié)果提示微囊藻毒素有毒株相比無(wú)毒株在C/N代謝途徑上具有一定的差異，在耐受高光強(qiáng)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為微囊藻毒素生物學(xué)功能研究提供了豐富的數(shù)據(jù)和理論依據(jù). 各種組學(xué)的結(jié)合應(yīng)用將有利于對(duì)細(xì)胞內(nèi)各種表達(dá)水平(DNA、RNA、蛋白質(zhì)和代謝物)上的變化與信號(hào)的傳遞形成更加整體和精確的認(rèn)識(shí)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、翻譯后修飾組學(xué)及代謝組學(xué)等技術(shù)在相關(guān)研究中的應(yīng)用將在微囊藻毒素生物學(xué)功能研究中起到重要作用. 宏基因組學(xué)和宏蛋白組學(xué)等技術(shù)則將對(duì)了解微囊藻毒素在有毒與無(wú)毒株之間競(jìng)爭(zhēng)所起到的作用及對(duì)產(chǎn)毒株在野外水體中所占據(jù)的優(yōu)勢(shì)提供豐富的信息.

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Recent progress in research of the biological function of microcystins

GAN Nanqin1, WEI Nian1,2& SONG Lirong1**

(1:StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology,InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,P.R.China)(2:UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,P.R.China)

Cyanobacterial bloom has become a frequent and problematic feature of many freshwater bodies over a wide geographical area, especially in China.Microcystisspecies are widely known for their production of the potent hepatotoxins called microcystins (MCs). While the toxicity of MCs on animals, including humans, has been well studied, the biological role of MCs on the organism from which they originate has not been clearly elucidated. In this paper, we summarized MCs production, especially MCs biological function with the development of technology in recent years. We reviewed and discussed the biological role of MCs in four aspects: Serving as allelochemical, involving in photosynthesis, taking part in the wintering and recovery ofMicrocystisand in the sustaining and formation ofMicrocystiscolonies. In addition, MCs may act as signal molecule inside and outsideMicrocystiscells, relevant research has also been reviewed. Global climatic change which favour cyanobacterial blooms in eutrophic waters, may also influence the competition between MC-producing and non-MC-producing strains and their dominance. The study on the competition between MC-producing and non-MC-producing strains and the biological role of protein-bound MCs should be focused on for further investigation, fast development of variable -omics would favor the investigation.

Microcystins; biological function;Microcystis; cyanobacterial bloom

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370418,41561144008)資助. 2016-05-13收稿；2016-10-09收修改稿. 甘南琴(1971～)，女，博士，研究員；E-mail：gannq@ihb.ac.cn.

*通信作者；E-mail：lrsong@ihb.ac.cn.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(1)： 1-8

DOI 10.18307/2017.0101

?2017 byJournalofLakeSciences