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)重點實驗室，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)因缺乏實驗證據(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，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)胞運輸調(diào)控機(jī)制問鼎諾貝爾獎，使細(xì)胞外囊泡的研究成為熱點。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]、抑制或殺死競爭菌并建立生態(tài)位[30-31]等過程?，F(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海洋病毒感染動力學(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物的生命進(jìn)程[33-39]，最終使整個海洋生態(tài)系統(tǒng)的能量流動與物質(zhì)循環(huán)更加復(fù)雜多樣。本文將重點分析近年來發(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，將影響對全球營養(yǎng)鹽收支的統(tǒng)計。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，并在海水的流動下進(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)制并不是個例，霍亂弧菌（Vibrio cholerae）產(chǎn)生的膜囊泡甚至能對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體，甚至高達(dá)108個/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)象確實是噬菌體注入核酸進(jìn)行錯誤性侵染的結(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)域研究暫無報道，僅有1篇文獻(xiàn)以真核藻類及其噬菌體為研究對象。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、推動病毒感染動力學(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)，以滿足其各項生理生化活動，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)大了對聚合營養(yǎng)物的監(jiān)測空間[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受體的載體對所需營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行識別與轉(zhuǎn)運等，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)流動途徑[28]?？偠灾?，相較于以孔蛋白進(jìn)行被動轉(zhuǎn)運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，對整個海洋生態(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，實現(xiàn)了不同代謝功能與基因跨越時間、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，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]在實驗室條件下證明，從海水中采集的膜囊泡確實能將營養(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)了儲存與運輸遺傳信息的“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]對自然環(huán)境中囊泡的宏基因組測序也表明，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，通過累積的信號分子如酰基高絲氨酸內(nèi)酯（AHLs）、假單胞菌喹諾酮信號（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，而且使信號分子在囊泡運輸?shù)倪^程中得到濃縮與穩(wěn)定的優(yōu)勢，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)胞外囊泡的信號分子運輸模式對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到疏水性信號分子AHLs，這可能與群體感應(yīng)誘導(dǎo)的對珊瑚共生體的致病性有關(guān)?？傊?，這種將細(xì)胞外囊泡作為一種納米尺度的信號傳輸載體的策略，促進(jìn)了信號分子在水生環(huán)境中的長距離分布，對于調(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[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宿主生命活動的調(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)菌或動物的互利共生以及動物之間的共棲、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，我們實驗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，對于維持海洋生物群落的穩(wěn)定性至關(guān)重要。同時，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宿主的致病過程[90-92]?？偠灾煌愋偷募?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，將對海洋生物中的個體、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，并影響初級生產(chǎn)力與固碳效率。

目前，我們對其生態(tài)角色與生物功能研究尚淺、所知甚少。針對當(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用性而成為熱點被廣泛研究，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)一步的實驗驗證。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。不可否認(rèn)，細(xì)胞外囊泡研究的一個主要挑戰(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，實驗室的特異性培養(yǎng)條件可能會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)致這兩種生物實體難以區(qū)分，影響了對海洋生態(tài)系統(tǒng)中膜囊泡豐度的評估。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)的各個領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。