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蓝藻水华抑制机制研究：从太湖分离的 Enterobacter cloacae TL3 菌株通过无菌滤液引发多靶点抑制，早期（6h）调控光合系统I（PSI）及细胞防御基因表达，中期（12h）导致细胞壁破裂、类囊体膜解体及PSII电子传递受阻，并伴随聚-β-羟丁酸（PHB）颗粒积累。转录组分析揭示细胞壁合成（C789_RS10970）、PSII结构（psbC/d）及毒素合成相关基因（cmr4/ruvA）显著下调。该研究首次阐明细菌代谢物诱导蓝藻多层级损伤的时空调控机制，为水华治理提供新策略。
韩阳|辛甘|郑亚奇|刘彤|沈文婷|埃里克·耶佩森|张伟|王丽青
教育部水生遗传资源勘探与利用重点实验室，上海海洋大学，上海201306，中国
摘要
蓝藻水华对水生生态系统健康和水质构成重大威胁。抗蓝藻细菌在缓解水华方面具有潜力，但其对蓝藻的时效性抑制机制仍知之甚少。本文从富营养化的太湖中分离出一种强效的抗蓝藻菌株Enterobacter cloacae TL3，并系统阐明了其对主要致水华蓝藻Microcystis aeruginosa的多靶点时效性抑制机制。通过结合短期表型测定和时效性转录组分析，我们发现TL3菌株的无菌滤液会引发一系列细胞损伤过程：6小时内，M. aeruginosa的转录组发生显著重组，主要影响光系统I（PSI）功能和细胞防御途径；12小时后，显微镜观察显示细胞壁破裂、类囊体膜解体、PSI完全失活以及光系统II（PSII）的电子传递受阻。蓝藻细胞表现出明显的应激反应，其特征是细胞内聚β-羟基丁酸（PHB）颗粒增大，这与渗透压平衡有关。转录组分析还发现，与细胞壁生物合成（C789_RS10970）、PSII结构成分（psbC, psbD）、色素合成、自我防御及DNA修复（cmr4, ruvA）相关的基因表达显著下调。这些多层次的损伤最终导致细胞不可逆性崩溃。本研究揭示了E. cloacae TL3中先前未被认识的多靶点抗蓝藻机制，为开发可持续策略以减轻富营养化水体中的蓝藻水华提供了新见解。
引言
近年来，由于富营养化和气候变化导致的水文及温度模式变化，全球范围内的蓝藻有害藻华（cyanoHABs）问题日益严重（Glibert和Burford，2017）。据估计，目前全球超过60%的淡水水体受到蓝藻水华的影响，仅在美国每年造成的经济损失就超过20亿美元，欧洲和亚洲的情况也类似或更为严重（Huisman等人，2018；Amorim和Moura，2021；Hou等人，2022）。一个典型的例子是2007年太湖中以Microcystis为主导的水华，导致无锡市持续一周的饮用水危机，影响超过两百万居民，凸显了蓝藻水华对公共健康和水质安全的严重威胁（Qin等人，2010；Guo，2007）。此外，在快速城市化地区，其他致水华菌属（如Raphidiopsis raciborskii和Umezakia ovalisporum）的地理分布范围不断扩大，其优势地位日益明显（Akcaalan等人，2014；Mohamed等人，2018）。因此，制定有效且可持续的蓝藻水华缓解策略已成为全球性紧迫任务。
在自然系统中，蓝藻水华的减少通常与异养细菌群落的改变相关，其中包含许多抗蓝藻的细菌类群（Coyne等人，2022）。这些微生物是蓝藻水华消退和分解的关键驱动因素（Chen等人，2020；Van Wichelen等人，2016），因此是传统营养削减策略的有力补充。已有研究表明，Bacillus、Pseudomonas、Streptomyces和Enterobacter等属的细菌具有抗蓝藻活性，某些菌株通过直接接触、分泌代谢物或综合机制发挥杀菌作用（Kong等人，2022；Morón-López等人，2024）。例如：Bacillus cereus N-14通过细胞外分泌物溶解Microcystis（Nakamura等人，2003）；Streptomyces sp. HY有效杀死了R. raciborskii（Xie等人，2024）；Bacillus flexus既能溶解R. raciborskii细胞，又能降解其产生的圆柱孢素毒素（Mohamed等人，2022）。尽管取得这些进展，但细菌抗蓝藻活性的机制基础仍不充分明确。
许多研究侧重于抗蓝藻细菌本身或其表型效应，而很少整合蓝藻细胞死亡的分子、结构和时间途径。例如，抗蓝藻作用可能涉及直接物理攻击（Shilo，1970）、特定生物活性肽的分泌（Imamura等人，2001），或直接-间接机制的结合（Xie等人，2024）。其他研究报道了细菌代谢物引起的光合作用电子传递抑制、氧化应激诱导或结构崩溃（Zhang等人，2021；Font-Najera等人，2024）。然而，转录扰动如何引发生理应激反应并最终导致超微结构损伤仍不清楚，这限制了对抗蓝藻细菌如何协调蓝藻裂解机制的理解。
本研究从太湖中分离出一种高效且特异性针对蓝藻的抗蓝藻菌株，并研究了其对模型致水华蓝藻M. aeruginosa的生长、生理和转录组的影响。我们旨在描述从基因改变到功能缺陷直至细胞损伤的连续事件链，这些变化由细菌代谢物引发。我们假设短期接触抗蓝藻分泌物会快速破坏关键光合基因（如psbA, rbcL）和自我防御基因，进而加剧后续的超微结构损伤和代谢功能障碍。本研究扩展了可用于生物防治蓝藻水华的微生物资源，并提供了抗蓝藻细菌发挥抑制作用的具体机制。
章节摘要
高效特异性抗蓝藻菌株的分离与筛选
2021年9月，在太湖美良湾（31°24’N, 120°13’E）以Microcystis为主导的水华期间，通过连续清洗并将菌液接种在Luria-Bertani（LB）琼脂上，分离出了抗蓝藻菌株。LB琼脂用于选择性回收生长迅速、可培养的异养细菌，以便后续分离和实验操作。所得菌株在37°C、180 rpm条件下培养12小时，达到对数生长阶段后进行进一步研究
TL3菌株的特性、抗蓝藻活性及安全性
我们从Microcystis水华样本中分离出TL3菌株，该菌株表现出显著的抗蓝藻效果（R=100%，t = 8天）（表S2，图S1）。TL3菌株为革兰氏阴性杆状细菌（图S2a和1b），在37°C、180 rpm条件下培养12小时后进入对数生长阶段（图S3）。该菌株能耐受25至40°C的温度（图S4a）、0至5%的盐度（图S4b）以及6.0至9.0的pH值（图S4c）。最佳生长条件为
Enterobacter cloacae TL3：一种具有广谱抗蓝藻活性且环保的安全菌株
蓝藻水华的频繁发生凸显了高效且环保的控制策略的必要性。本研究分离出了E. cloacae TL3菌株，该菌株对M. aeruginosa具有显著的抗蓝藻活性。尽管在Enterobacter属中仅有少数研究记录了抗蓝藻效应（He等人，2021；Lu等人，2021；Zhang等人，2022），但已有报道表明相关菌株E. cloacae NP23也能抑制某些绿藻
结论
我们从太湖中分离出具有强效且环保抗蓝藻活性的Enterobacter cloacae TL3菌株，并对其作用机制进行了研究。研究发现，其无细胞代谢物可快速破坏蓝藻的细胞完整性和光合作用电子传递，同时引发氧化应激。转录组分析进一步揭示了关键抗性机制的多层次紊乱
CRediT作者贡献声明
韩阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据可视化，方法学，数据管理。辛甘：方法学，正式分析，数据管理。王丽青：撰写 – 审稿与编辑，资源协调，项目管理，概念构思。张伟：撰写 – 审稿与编辑，资源协调，项目管理，资金争取，概念构思。沈文婷：软件使用，方法学。埃里克·耶佩森：撰写 – 审稿与编辑。郑亚奇：方法学，
未引用的参考文献
Harke等人，2016；Acinas等人，2009；Crawford等人，2017；Xie等人，2018；Mohamed和Bakr，2018；Chorus和Welker，2021；Wichelen等人，2016；Nakamura等人，2023；Font-Nájera等人，2024；中国标准化管理委员会，2008；中国标准化管理委员会，2014；Nair和Steven，2004。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2022YFC2601305）和国家自然科学基金（编号41901119和U23A20153）的支持。感谢戴正峰、叶晓琳、刘琪、孙泽东、曾志伟和王文倩在蓝藻和细菌培养及藻类计数方面的帮助。同时，也非常感谢奥胡斯大学的Anne Mette Poulsen在英语协助方面的支持。
