《Microbiological Research》：Volatile compounds as bacterial communication signals: state of art, limitations and future perspectives
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这篇综述聚焦细菌挥发性化合物(VOCs)在微生物通讯中的生物学功能，深入探讨了其作为严格意义(sensu stricto)通讯信号与信号线索(cues)的区别。文章系统梳理了挥发性有机化合物(VOCs)作为种间和种内(群体感应，Quorum Sensing)信号分子的证据，揭示了相关分子机制(如双组分系统TCS、单组分系统)和关键靶点(如跨膜受体)的研究空白，并提出了“局限感应”(Containment Sensing)等新颖生态学视角。文章指出，挥发性介导的信号传导代表了一种有别于经典途径的独特细菌通讯模式，并展望了未来研究方法。
引言：被忽视的“空气”语言
想象一下，微小的细菌并非在寂静中生存，它们持续不断地向周围环境释放着一系列化学“信息”。这些信息并非传统的可溶性分子，而是一类被称为挥发性有机化合物(VOCs)的小分子物质。它们分子量小、蒸气压高、沸点低，并具有一定的脂溶性。尽管水溶性差，但VOCs能在水中微量溶解并快速扩散。它们是所有生命体，包括细菌，代谢活动的副产品。因此，VOCs的释放种类和数量直接反映了生物体的代谢状态。从烯烃、醇类、酮类到萜烯、苯类衍生物等，这些VOCs构成了一个复杂的化学“词汇库”。有趣的是，相同的细菌菌株在不同培养基上可能释放不同的VOC谱，而不同菌株在相同培养基上也会因代谢途径差异产生不同的VOCs。
越来越多的证据表明，细菌VOCs远非简单的代谢废物，它们是介导微生物与微生物之间、乃至微生物与植物、真菌、动物之间相互作用的重要媒介。它们能够抑制或促进细菌生长、调控生物膜形成、改变运动性、甚至调节毒力因子产生。然而，尽管其生态作用日益得到认可，它们作为真正通讯信号的角色，以及被感知的分子机制，仍然不甚明了。这篇综述旨在将细菌VOCs置于一个微生物通讯的框架内，探讨其生物学功能，并试图弥合当前的知识鸿沟。
第一部分：细菌挥发性化合物作为种间通讯信号？
要探讨VOCs的通讯功能，首先要明确“通讯”的定义。在生物学中，通讯指一个生物体发出信号，另一个生物体对此做出响应的过程。一个严格意义上的信号，其演化是因为能引发接收者的反应，并且接收者的响应也是演化的结果。这种相互作用对信号发出者和接收者双方都有利，能增加它们获得后代的适合度(fitness)。
对于细菌而言，信号感知依赖于精密的分子传感器，主要包括三类系统：单组分系统、双组分系统(TCS)和胞外功能σ因子(σECF)。这些系统都遵循相似的逻辑：一个输入结构负责检测刺激，一个输出结构负责触发响应。例如，在TCS中，跨膜的组氨酸激酶感应细胞外配体，并通过磷酸化将信号传递给细胞内的应答调控蛋白，从而调控基因表达。次级信使如环二鸟苷酸(c-di-GMP)和环腺苷酸(cAMP)也在信号整合中扮演关键角色。
那么，有哪些证据表明细菌VOCs可以作为种间信号呢？
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植物互动：枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)产生的乙偶姻和2,3-丁二醇能促进拟南芥(Arabidopsis thaliana)的生长并激活系统抗性(ISR)，可能与茉莉酸途径有关。同样，吲哚(由大肠杆菌E. coli等产生)、N,N-二甲基十六胺(DMHDA)等多种VOCs也被报道能促进植物生长或诱导抗性，但具体的受体蛋白大多尚未明确。
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细菌间互动：枯草芽孢杆菌释放的VOCs（如2,3-丁二酮和乙醛酸）能改变大肠杆菌K12的基因表达谱，降低其运动性并增加抗生素耐药性。这种响应依赖于PyrS/R双组分系统。
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与真菌互动：绿脓杆菌(Pseudomonas aeruginosa)产生的二甲基硫醚(DMS)能强烈促进烟曲霉(Aspergillus fumigatus)的生长，但这很可能是因为DMS被真菌用作硫源，而非纯粹的信号作用。
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与动物互动：细菌VOCs与节肢动物（如果蝇、蚂蚁、蛾类）之间的通讯研究最为清晰。例如，链霉菌(Streptomyces)产生的地味素(geosmin)能吸引火蚁(Solenopsis invicta)。这种典型的互利共生关系，加上昆虫体内明确的气味受体作为传感器，使得这类VOCs可以被明确归类为真正的通讯信号。
综上所述，尽管许多研究展示了VOCs的 beneficial 表型效应，但在多数情况下，其特异性的分子传感器仍有待发现。少数被深入研究的案例，特别是细菌-节肢动物互作，强有力地证明了某些细菌VOCs是真正的信号分子。
第二部分：群体感应与空气传播群体感应的特殊性
为了理解种内挥发性信号，我们需要参考一个研究透彻的模型：群体感应(QS)。QS是一种基于分泌信号分子的通讯方式，信号分子的积累指示了细胞数量或密度，并通过特定受体感知。以绿脓杆菌PAO1为例，它拥有至少三套QS系统（las, rhl, pqs），分别基于不同的酰基高丝氨酸内酯(AHLs)或烷基喹诺酮类信号分子。这些系统不仅自我激活，还形成层级网络，共同调控毒力、生物膜形成等“社会表型”。
信号分子诱导其自身产生者作出基因表达响应的，称为自诱导剂(auto-inducer)。但自诱导剂的功能可能不仅仅是感知“群体数量”。环境对分子扩散能力的影响、信号分子的稳定性、细菌聚集体的存在等因素，都可能局部调节其浓度，从而指示应采取的 effective 表型。因此，细菌可能同时利用多种具有不同物理化学性质的信号来感知环境参数，并通过“与门”(AND-gates)逻辑精细调控基因表达。
那么，是否存在挥发性的自诱导剂呢？答案是肯定的。
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2-氨基苯乙酮(2-AA)：由绿脓杆菌产生，是PQS代谢途径的衍生物。它能结合PqsBC异源二聚体，抑制另一信号分子HHQ的合成，从而负向调控毒力相关基因，促进慢性感染和抗生素耐药性。
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吲哚：在大肠杆菌中，吲哚能激活毒力和抗生素耐药性相关基因表达，同时抑制生物膜形成。其作用机制涉及抑制CpxAR双组分系统中CpxA激酶的活性。
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氰化氢(HCN)：在假单胞菌(Pseudomonas)中，低浓度的HCN可能作为一种自诱导剂，抑制运动性并促进生物膜形成，同时调控铁载体和吩嗪等竞争性物质的产生。
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1-十一碳烯：由UndA/B酶催化月桂酸氧化脱羧产生。在荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)中，1-十一碳烯对于生物膜的成熟至关重要，其可能的传感器是跨膜蛋白RbdA。
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乙酸：在枯草芽孢杆菌中，乙酸能促进菌膜(pellicle)形成，其可能的传感器是YwbI转录调控因子。
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3-羟基棕榈酸甲酯(3OH-PAME)：这是分子机制最为明确的挥发性自诱导剂，来自植物病原菌青枯菌(Ralstonia solanacearum)。它通过结合并抑制PhcS组氨酸激酶，解除对毒力主调控因子PhcA的抑制，从而激活毒力。
与种间信号相比，挥发性自诱导剂的证据链通常更强，其合成和感知途径至少已有初步证据或可被实验证实。空中群体感应的概念正逐步确立。
第三部分：识别细菌空中通讯的可能分子机制
鉴于相关研究较少，本节提出了最可能的分子机制和研究方法。
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寻找合成酶：鉴定VOCs合成酶是研究其功能的关键。可通过在非产生菌（如大肠杆菌）中构建基因组文库并进行VOCs表型筛选，或结合生物信息学预测与蛋白质组学分析来发现候选酶。明确合成酶后，可通过基因敲除或异源表达来精确研究VOCs的生态功能，避免使用化学纯品带来的浓度和释放动力学不匹配问题。
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输出机制：传统认为VOCs通过被动扩散穿过生物膜。但数学计算和实验证据（如在植物和酵母中）表明，主动运输系统（如ABC转运蛋白）可能参与VOCs的输出，以避免其在高浓度下对膜造成毒性。
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表征传感器：一个严格意义上的信号必须被特异性传感器感知。借鉴真核生物嗅觉系统，挥发性信号的传感器很可能是跨膜蛋白（如双组分系统的组氨酸激酶），以便将疏水性信号转化为胞内可溶性信号。像2-AA这样水溶性较好的分子也可能有胞内靶点。 Pull-down、表面等离子共振等技术可用于验证分子与蛋白质的相互作用。种间通讯信号可能需要高亲和力的传感器来感知低浓度的环境信号。
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理解空中通讯的特异性：挥发性自诱导剂面临一个悖论：它们扩散迅速，如何在种群中积累到起效阈值？这引出了“局限感应”(Containment Sensing)的假说。在根内皮层等密闭空间中，挥发性分子无法快速逸散，其积累浓度可以反映空间局限性和局部细胞密度。因此，挥发性自诱导剂可能是感知“空间限制”和“群体背景”的理想工具，其对应的传感器灵敏度可能低于种间信号传感器。
结论与展望
本综述指出，众多细菌挥发性化合物是严格意义上的信号分子，参与种间和种内通讯。然而，关于其潜在分子机制仍存在巨大知识缺口。未来的研究需要整合多种方法：鉴定VOCs的合成与输出系统、阐明其特异性感知的分子机制、并在更接近自然条件的动态气体环境中进行功能验证。最终，理解挥发性介导的信号传导将为我们揭示一个全新的、与经典通讯途径并行的细菌“语言”世界，并在农业、医学和环境领域带来潜在应用。
