原文来源：Carrasco F E, Vivien H, Trang V, et al., 2024. A mutualistic bacterium resolves conflicts in algal-bacterial interactions by detoxifying a potent toxin. PNAS, 121(15), e2401632121.
https://doi.org/10.1073/pnas.2401632121.
研究背景
光合原生生物，特别是光合微藻，作为地球初级生产力的核心参与者，在自然环境中能与多种微生物共存，并通过复杂的相互作用（互作）影响彼此的生理状态和生态适应能力。然而，当前科学界对于微生物之间、特别是涉及微藻的多物种互作机制的理解仍显不足。例如之前的研究发现，假单胞菌（Pseudomonas protegens）等拮抗细菌可通过分泌环状脂肽（如orfamide A）和聚炔类毒素，导致绿藻失去鞭毛、失明甚至裂解，严重威胁微藻的生存，但是藻类对细菌的影响是否存在保护性共生机制尚不明确。
科学内涵
研究思路：
该研究聚焦于乳霉菌（Mycetocola lacteus）与莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的共生关系，探索乳霉菌能否在拮抗细菌攻击下拯救微藻，并揭示相关分子机制，为理解微生物群落的复杂互作提供关键线索。在自然环境中，三种属（Chlamydomonas、Pseudomonas和Mycetocola）常常共存，因此它们之间可能存在复杂的互作关系。实验采用TAP培养基进行共培养实验，将C. reinhardtii、P. protegens和M. lacteus按一定比例混合培养。使用qPCR技术测定细胞密度，以监控不同处理组中藻类和细菌的生长情况。研究人员通过LC-HRMS分析发现M. lacteus能够分化orfamide A，生成单裂解和双裂解产物。同时对化学合成参考化合物并与实验样品进行比较，验证了orfamide A的确是在酯键处发生水解反应，随后在细胞裂解物中进一步发生酰胺键水解。利用C. reinhardtii的荧光报告株系检测了Ca²⁺信号的变化，结果显示orfamide A显著引起藻类细胞去鞭毛现象，而其降解产物则无此效应（图1）。这表明M. lacteus通过降解orfamide A使其失去生物活性，从而保护绿藻不受其毒性影响。最后，通过使用化学合成的参考化合物，表征了确定的单裂解和双裂解的orfamide A衍生物的生物活性。
图1 虽然M. lacteu需要从C. reinhardtii中获取蛋氨酸和一些B族维生素，但它能促进藻类生长。（A）纯培养的M. lacteu不能在含 0.2%（w/v）葡萄糖的TAP培养基中生长，但与C. reinhardtii共培养则能促进细菌生长。两种生物体以1:250（藻类:细菌）的比例共培养，并在补充了 0.2%（w/v）葡萄糖的 TAP 培养基中培养7天。通过逐日稀释并在 LB 培养基上接种来计算细菌细胞密度。培养2天后计数菌落，并根据稀释倍数确定细胞密度。MLA：M. lacteu。星号表示单培养与共培养（A和B）之间、阴性对照组与补充培养组（C-E）之间的显著差异，根据学生t检验计算（*P≤0.05; **P≤0.01;和***P≤0.001）。误差线表示每个时间点和每种培养方式下3个生物学重复的 SD。（B）M. lacteus显著增强了在含 0.2%（w/v）葡萄糖的TAP培养基中C. reinhardtii的生长。每天使用Thoma 细胞计数室计数藻细胞。Cre: C. reinhardtii。（C）M. lacteus需要半胱氨酸或蛋氨酸才能生长。TAP培养基含有 0.2%（w/v）葡萄糖和九种B族维生素的混合物，用作培养基。为了研究细菌对氨基酸的需求，每个M. lacteu培养物被补充以无氨基酸（-aa）、20 种氨基酸的混合物（+aa）或一种氨基酸。实验结果表示三个独立生物学重复实验的平均值，误差线表示标准差。（D）M. lacteu需要某些B族维生素才能生长。TAP 培养基含有 0.2%（w/v）葡萄糖和蛋氨酸，用作培养基。为了测试细菌对B族维生素的需求，M. lacteu培养物被分别培养在无B族维生素（-B-Vit）、九种B族维生素的混合物（+B-Vit）或九种B族维生素中缺少一种的不同维生素的组合中。请参见（C）图例的进一步细节。（E）C. reinhardtii不提供葡萄糖给M. lacteus。不含乙酸盐和葡萄糖的 TP 培养基用作单培养M. lacteu和与C. reinhardtii共培养的生长培养基。D0，接种；D5，生长 5 天。（F）C. reinhardtii的培养基提供蛋氨酸，因此可以补充大肠杆菌（Escherichia coli）营养缺陷型突变体以产生B12。比较E. coli K12 DH5α野生型（WT）在 M9 MM 中的生长与在补充了以下物质的无菌 M9 MM 中生产维生素B12的E. coli营养缺陷型突变体的生长：不额外添加物质、维生素B12、蛋氨酸（Met）或C. reinhardtii的培养基（上清液，Sup）。
核心发现：
M. lacteus能够通过酶促反应线性化orfamide A，并产生两种主要降解产物：单裂解产物和双裂解产物。这些降解产物对藻类的钙信号没有显著影响，说明这些产物失去了原始orfamide A的毒性。orfamide A显著引起藻类细胞去鞭毛现象，而其降解产物则无此效应。这说明M. lacteus通过降解orfamide A使其失去生物活性，从而保护绿藻不受其毒性影响。M. lacteus不仅能降解orfamide A，还能显著促进C. reinhardtii的生长。这可能是由于M. lacteus利用了C. reinhardtii分泌的某些代谢产物，如甲硫氨酸和B族维生素，从而促进了自身的生长，同时也为藻类提供了有利的环境条件。M. lacteus需要有机硫化合物以及B1、B3、B5和B7维生素才能生长，其中B3和B5是必需的，而B1则对持续生长是必需的（图 2）。由于orfamide A也对其他纤毛绿藻具有毒性，M. lacteus的这种降解机制具有广泛的生态学意义。
图2 辅助细菌M. lacteus 利用C. reinhardtii 分泌的代谢物进行生长,促进藻类生长，并使藻类免受P. protegens 的攻击。拮抗细菌P. protegens 使藻类失去鞭毛、褪色和裂解（橙色箭头）。图片基于藻类在细菌攻击 24 小时后的情况绘制（21）。M. lacteus具有双重功能：i）促进C. reinhardtii的生长（黄色箭头），ii）通过切割orfamide A（黄色箭头）来拯救藻类免受P. protegens 的攻击（虚线橙色箭头），从而使这种 CLiP失活（虚线橙色箭头）。Chlamydomonas释放特定的B族维生素和蛋氨酸，可作为有机硫源被利用来支持M. lacteus的生长（绿色箭头）。
重要启示
启示一：微生物也有微帮手。该研究揭示了共生细菌通过代谢协作与毒素降解介导的三方互作新机制。M. lacteus作为“辅助细菌”（helper bacteria），其双重酶解路径为理解微生物化学通讯与解毒策略提供了新范式，拓展了对“微生物组防御网络”的认识。未来需要进一步研究M. lacteus与其他微生物的互作机制，以及这些机制如何影响更大范围的生态系统。同时，也可以探索其他类似微生物的功能及其在自然界中的角色。
启示二：关注拮抗细菌产物可以实现产研融合。该研究发现的类似代谢互补与共生防御机制可能存在于其他星球（如火星）的微生物群落中，为地外生命信号识别提供理论参考。M. lacteus及其水解酶可作为天然生物制剂，用于抑制有害细菌对微藻的攻击，为水产养殖中藻类种群保护提供新思路，落地服务渔业生产和生态保护。
——解读人：李沁荃、田力
——责任编辑：肖异凡
