论文标题：Algal–Bacterial Interactions: Mechanisms, Ecological Significance, and Biotechnological Implications

论文链接：https://doi.org/10.3390/phycology6020050

期刊名：Phycology

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/phycology

一、引言

在自然界或工程环境中，藻类很少以独立的光合生物形式存在；相反，它们通常嵌入复杂的细菌群落中，这些群落控制着它们的生理、生产力和生态性能。藻际环境（phycosphere）是一个富含藻类分泌物的微尺度生态位，促进了广泛的代谢交换和化学信号传导，从而定义了这些共生关系。2026年5月11日，来自意大利农业与农业经济分析委员会 (Consiglio per la Ricerca in Agricoltura e l’Analisi dell’Economia Agraria) 的Domenico Prisa发表在Phycology期刊的文章”Algal–Bacterial Interactions: Mechanisms, Ecological Significance, and Biotechnological Implications”系统性的概述了目前对藻类-细菌相互作用的理解，包括与藻圈相关的机制过程、水生系统中的生态后果以及创新方法的潜在应用领域。通过整合分子生物学、生态学和生物技术视角，作者希望阐明微生物共生关系如何在不同尺度上影响藻类功能，从单个细胞到整个全球生物地球化学循环。理解这些相互作用对于推进藻类学基础研究至关重要，并有助于利用微生物群落帮助解决环境和工业领域面临的现有问题。

二、藻际环境作为藻-细菌交换的动态界面

藻际环境类似于藻细胞周围的微环境，其中生物相互作用更为强烈，化学交换速率也远高于其他区域。藻类并非简单地漂浮在开阔水域中，而是通过释放光合作用产生的有机化合物不断改变周围环境。光合作用过程中固定的碳很大一部分会以溶解有机物的形式释放回环境中，从而形成营养物质和信号分子（分泌物）的梯度，这些分泌物会从藻类细胞表面扩散到远处。这些分泌物包括单糖、氨基酸、有机酸、脂质以及各种次生代谢产物，其中大部分被用作能量来源或作为附近微生物的信号。由于这些化合物在环境中会被快速消耗、转化和稀释，因此会吸引运动性细菌聚集在分泌物附近。因此，藻际环境内的细菌种群密度至少比周围水体中的细菌密度高一个数量级，从而形成微生物活动的热点区域。

关于藻际环境中菌藻互作具体涉及到的一些互作行为方式以及关键的化学成分和分子机制，作者在下表进行了详细总结：

表：藻际环境中的关键过程及其生态意义

三、藻类-细菌相互作用的分子调控和生态后果

藻际环境为藻类-细菌共生关系的形成和功能提供了物理环境，但控制这些相互作用稳定性和持久性的遗传和代谢机制延伸至细胞层面。在藻际环境内，藻类和细菌进行动态的分子对话，以调节资源交换、防御反应和生物利用度。随着碳、氮和维生素浓度的波动，藻类和细菌细胞感知这些化学信号，并改变其基因表达以优化生长、防御和体内平衡。这种分子调控机制解释了在某些条件下常见的互利共生关系，以及在另一些条件下常见的竞争或拮抗关系。

代谢物交换引起的转录重组是这种调控的核心。细菌对藻际环境的定殖可以诱导碳水化合物和氨基酸转运蛋白以及中心碳代谢酶的上调，而藻类细胞的氮同化、氧化应激和维生素吸收途径的调控则会因是否存在细菌而发生差异。转录组学研究表明，共培养会导致藻类和细菌藻球居民的代谢、光合作用和营养转运相关基因表达发生变化。在许多情况下，共培养可能会诱导所有相关基因的差异表达，而不仅仅是由于代谢物可用性的增加而导致的表达增加。

图：藻际环境中分子调控的示意图

四、生态尺度：从微观尺度的相互作用到生态系统过程

藻类与细菌的相互作用始于藻际环境的微尺度，其影响远超单个细胞的尺度，并对种群动态、群落演替和大规模生物地球化学循环产生影响。这种转变是由生长和死亡率、营养再生以及营养相互作用等方面的累积效应所介导的。理解分子尺度过程的综合作用如何最终转化为可观察的生态现象至关重要，例如季节演替、水华发展、更替以及整个微生物食物网的结构和功能特性。

图：从微观过程到生态系统影响，藻类-细菌相互作用的微尺度分析

五、菌藻互作研究方法的进展

近年来，藻类-细菌相互作用研究取得重大进展的主要驱动力是新型、更精细的研究方法的开发，这些方法彻底改变了该领域的研究方向，使其从描述性生态学转向机制系统生物学。早期的研究主要依赖于培养方法和显微镜观察共存模式和总体生理反应。尽管这些方法已证实了藻类相关细菌的生态意义，但并未深入阐明这些因子如何交换以及调控机制。然而，分子、化学和成像技术的结合使得以前所未有的时空分辨率对藻类圈过程进行深入研究成为可能。作者在下表对目前的一些具体研究菌藻互作的方法与技术进行了总结。

表：研究藻类-细菌相互作用的主要方法及其分析贡献

六、菌藻互作在生物技术方面的应用

对藻类和细菌相互作用的深入了解有助于指导应用研究，通过控制和调控微生物相互作用，可以提高生物技术系统的生产力、稳定性和可持续性。一项极具潜力的应用包括大规模生产生物质，特别是用于生产可再生燃料及/或废弃物产品。研究比较深入的应用技术包括藻类养殖及生物质的生产，生物燃料与产物的开发，废水处理与生物修复等，下表中作者对这些应用进行了具体的总结：

表：藻-细菌联合体的生物技术应用、机制和成效

七、展望与结论

藻类-细菌相互作用的理解已取得显著进展,然而仍然存在许多重要的理论和实践问题,包括量化相互作用的强度、解析多物种动态以及处理生态系统模型中尚未完善的微生物过程，而实验结果与实地观测相结合是实现机制理解并最终转化为生态预测能力的关键。藻类和细菌之间相互关系的研究在生物技术领域也发挥着重要作用，工程化微生物群落可以提高生物量生产力、增强脂质或色素的产生，并最终改善生物修复系统中的废水处理效果。这些利用天然代谢互补性的技术，代表着通往更可持续、更具韧性的生物技术模型的途径。简而言之，藻类-细菌联系是一种非空间性的生态学要素，它不仅改变环境条件，而且有助于应用技术的发展。融合分子生物学、生态学和系统建模的持续性多学科项目将成为推进和理解这些复杂微生物相互作用的载体。此外，此类研究将使我们能够在快速变化的世界中利用它们的潜力造福人类。

图：藻-细菌相互作用研究的主要挑战和未来展望的概念框架

关于Phycology：

Phycology（ISSN 2673-9410）(IF: 3.5, CiteScore: 4.9，文章接收到发表时间约为3.9天)致力于发表经过严格同行评审的关于微藻和大型藻类的研究成果，涵盖其起源、进化、生态学、结构、生物化学、分子生物学、生物技术，以及涉及监测、培育、采收、加工和化合物提取等诸多应用领域。期刊包含藻类分类学、系统发育与进化; 藻类生理学、生物化学与分子生物学; 藻类生态学与环境科学; 应用藻类学与藻类生物技术4个新栏目。主编Prof. Dr. Peer Schenk 来自昆士兰大学；近期厦门大学的高坤山教授被任命为藻类生态学与环境科学栏目主编。