全 文 ：热带亚热带植物学报 2006，14(1)：81—86
Journal of Tropical and Subtropical Botany
赤潮藻毒素生物合成研究进展
彭喜春a， 刘洁生 ， 杨维东 b
(暨南大学，a．食品科学与工程系；b．生物科学与工程系，广州 510632)
摘要：合成毒素是赤潮藻类的 个常见特征，已知能够产牛毒素的微藻有70多种。作为次级代谢产物，藻毒素的产生
可能是 ·种压制或清除其它藻类竞争者的一种反应，在群落演替、种问竞争中发挥重要作用。目前，人们对藻毒素生物
合成机理依然知之甚少，相关基因的研究仍光明显突破。利用环境因子诱导毒素生成变化进而分离差异表达基因或者
比较不同产毒藻株间基因表达的差异，从中克隆藻毒素牛物合成基因似乎是⋯冲9极具潜力的研究方向。
关键词：赤潮：海藻；毒素的生物合成
中图分类号：Q948．86 文献标识码：A 文章编号：1005—3395(2006)01—0081—06
Studies on Biosynthesis of Algal Toxins in Red Tide：A Review
PENG Xi—chun“， LIU J ie—sheng ， YANG Wei—dong
(a．Department of Food Science and Technology,Jinan University；
b．Department 0，‘Biological Science and Techmdogy,jinan University，Guangzhou 510632，China)
Abstract：The production of toxin iS a feature in red tide．More than 70 species of microalgae produce toxins．As
a secondary metabolite，the synthesis of algal toxin may be considered as an inhibition or rejection response to
other phytoplanktons in the competition among communities and species． There is li~le understanding about the
synthesis pathway of these toxins because the factors(algal species，sources，environment，conditions，etc。)that
affect the production of toxin are complicated．In this review，the following aspects in studies on algae which from
red tide are presented：ecological significance of red tide algae producing toxins，factors affecting the production of
toxins by algae， possible biochemical pathway of toxin syn thesis， and molecular aspects of toxin biosyn thesis in
study of marine algae．
Key words：Red tide；Marine algae；Algal toxin biosynthesis
随着工农业生产的发展、人口增多，人们对海
洋的依赖越来越大，致使海洋污染加熏，赤潮发生
的频率大大增加，给生态环境和人类健康造成的危
害日益严重。赤潮 已成为伞球性的海洋公害，严重
干扰着沿海国家的经济发展。
海洋浮游微藻是引发赤潮 的主要生物 ，在
4 000多种浮游微藻中有 260多种能形成赤潮，中
国沿海的赤潮生物有 148种，其中43种曾引发过
赤潮 (red tide)_1]。合成毒素是赤潮藻类的一个常见
特征，已知能够产生毒素的微藻有 7O多种，我国有
28种[21。由于毒素在水体食物链中以一种 类似于碳
或能量的形式传递，产毒藻种可能会对其它藻种产
生一些巨大影响。同时，随着毒素对大量有机体的变
更、生长、繁殖及新种引进的影响，产毒藻种可能对
生态系统的演变产生巨大的冲击嘲。本文就影响藻毒
素生物合成的因素、藻毒素的生态学意义以及藻毒
素生物合成相关分子生物学的研究进行综述，并提
出一种研究藻类毒素生物合成基因的可能途径。
收稿日期：2005—07—04 接受日期：2005 10—25
基金项目：国家自然科学基~r(30470321)；国家莺点基础研究发展规划 973项 目(2001CB409709，2001CB409710)；广东省自然科学基金项
日(03l885，021 168)资助
通迅作者Corresponding author
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82 热带亚热带植物学报
1赤潮藻类毒素生物合成的生态学意义 感活性的增
在赤潮发生前，赤潮发生的海域中生活着较_丰
富的浮游植物的种群，各种群问以 ‘定的比例构成
该区域海洋浮游植物的群落。赤潮形成过程中，浮
游植物的种类将朝着单一化的方向发展，个别种类
异常增殖，使其成为该海域的绝对优势种，并经常
伴随对其它各种类的排斥作用(exclusion)[41。研究表
明，由于赤潮藻细胞外有机物质(化感物质)的分泌
导致浮游生物间产生交互作用，被认为是一种影响
浮游植物继发的重要因素l 5l。Keating[喈艮道蓝细菌
fcyanobacteria)分泌的有毒物质能抑制硅藻的生 ；
Windust等[7]发现微量的甲藻 (dinoflagelate)毒素
大 田软海绵酸 (okadaic acid，OA)及鳍藻毒素 一1
(dinophysistoxin一1，DTX一1)也能有效地抑制几种微
藻 的生长 。我们 的研 究也发现 ，球 形棕 囊藻
(Phaeocystis globosa)合 成 的溶 血 毒 索对 东 海
原 甲藻 (Prorocentrum dongh aien$e)、海洋褐孢藻
(Chatoncela marina)及卵状褐孢藻 (Chc~toncela
ovta)的生长都有一定的抑制作用 (待发l表)。
一 般认为，植物在营养充足的条什下 会释放
化感物质。化感效应是由于植物自身牛存环境受到
压迫时，为保证 自身生存繁殖所需要的营养而激发
的一‘种抑制其它竞争生物生K繁殖的功能 1。研究
表明，存营养条件受到限制时很多赤潮藻会产生(或
释放)一些化感物质。Myklestad等 报道 P缺乏
时 Chrysochromulina po1)Tepis能使 fI肋 骨 条 藻
(Skeletonema costatum)的生长 受到 强 烈抑制 。
Gran61it Lo]的研究表明，在 N、P盐 制H,j‘，小定鞭金
藻( nesium parv“m)所产毒索增加，其无细胞滤
液对威氏海链藻 (Thalassiosira weis~ogi)、微小原
甲藻 ( r0centrum minimum)和波罗的海红胞藻
(Rh0domonas cf．b~dtica)的生长也产 抑制，而营
养盐充足时这几种藻的生长并未受到影响，提示当
有毒定鞭金藻 (Prymnesiophyta)营养条件受到限
制时，分泌有毒代谢物可能是一种常见机制。
当营养条件受到限制时，浮游生物为获取营
养，在生理上 能发生 ⋯‘些变化以增加其竞争能
力。毫无疑问，就化感效应l 言，产毒藻利J{j毒索对
自 来说可能是最为有利的，凶为这自‘助。J 产毒藻
在其它更为高级的竞争者(如其它藻)仔 f 的环境中
繁殖，甭则就有可能被清除。据报道， 仪浮游生
物，一些其它微生物组织中，荷养条件的限制与化
制条什下，以其最优生 K率生 K时组织 不产生
化感物质，但是当营养条件受到限制会导致生长率
卜降，其次生代谢过程就被激活，这样如果组织因
其迅速的生 K能有效地参与竞争的话，就不产生毒
素， ‘旦不能有效地竞争，其毒素的产生机制就被
激活l【l】。如果有毒物质的释放会抑制赤潮藻竞争者
的生 ，爿Ij么对 它浮游生物就育一种选择性的竞
争优势。毒素的产生nJ‘能是一种抑制或清除其它藻
类竞争者的 一种策略，因而在几种浮游植物中体现
山化感作用。
赤潮藻合成毒索的这种竞争策略 J 能通过以
下几种机制米实现：1)仃毒物质町能具有 ‘些不可
接受的气味或 U味，使捕食者(predator)难以食用。
其主要 日的并不是毒害捕食者，而是抵制其进一步
食用；2)藻类被食用后，在消化过程中有毒物质被释
放山来，使捕食者呕吐而不敢进一步食用；3)藻类被
捕食者消化后，有毒物质被释放l叶I来，使捕食者产
生生理紊乱(如麻痹、游动方式改变等)，共垒导致其
死亡；4)也可能使其繁殖力一卜降。当然，斤面 3种情
况可能对某些 独个体并不适用，但是当藻类达到
‘定量的特体时，nJ‘以起到防御作用。在真核微藻
中这几种机制均有nJ 能 现，它们之 并不相互排
斥 。
当然，由‘j 毒素生物合成的调控机制还小清
楚，目前将赤潮藻的这种竞予机制完全定义为毒素
的生物合成，这还为时尚早。近年来，化学物质的分
离和分析技术的迅速发展，将其与基囚扫描(基囚组
学)、基 表达(蛋白质组学)及代谢物相互作用(代谢
物组学)技术结合并通过生物信息学翻译，应用于毒
素的生态学研究，将有助于我们对毒素的合成与生
态环境之问的相 关系有更为深入的理解。
2影响有害藻华毒素生物合成的因素
赤潮藻由索生物合成影响的因素极为复杂。赤
潮藻物种、藻源、环境条件以及其它藻类的组成和
半度芹异部nJ‘能是导致其毒素成分和含量变化的
I大J素。
2．1环境因素
许多研究显示，藻 素的合成 与营养水平、盐
度、礼 1度、光照等环境因了有关 ”】。尽管有充分的讧F
据显 ，微囊藻毒素的合成是m毒索肽合成酶基
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第 1期 彭喜春等：赤潮藻毒素生物合成研究进展
多 因控制的，并由肽合成酶复合体合成 ]。但毒
素的合成同样受环境因了包括光照、温度、营养水
平及微量元素的影Ⅱ向[19]。我们的研究发现，球形棕囊
藻在不同的营养条件下，其溶血毒素的合成不同
(另文发表)，其中在N盐、P盐和 Fe盐限制条件
卜其溶血毒素的产最明显增加。Johansson等[2删对小
定鞭金藻的研究也表明，在N盐和P盐的 制条件
下其毒素的合成能力提高 。Wang等发现 N 盐
的限制和 P盐 的增加有利 于塔玛亚历 山大 藻
( lexandrium tamaren．~e)合成 C，毒素【21，而N盐的
增加和 P盐的 限制有利 十该藻种膝沟藻 毒素
(GTX)的合成㈤。Siu等发现链状业历山人藻 ( ．
catenela)在低温 (10℃)条件下的产毒能力要强于
常温 (30℃)下 ]。Huang等[241研究认为，微小亚历
I I1人藻 ( ．minutum)能合成 膝沟 藻毒 素 1—4
(GTX。一)，其中GTX。和 GTX 是其ll1的主要成
分，而高盐浓度 F膝沟藻毒素 GTX 和 GTX 的含
最增加。Mitrovic等人[251的研究表明，Se和 Fe元素
对 Protoceratium reticulatum 合 成虾 夷 扇 !，!毒 素
(Yessotoxin，YTX)有促进作用。显然，环境对赤潮
藻类毒素合成的影响非常复杂。
2．2 生长周期
毒 素 生成 也 与 细胞 周 期 的关 系 非 常 密
tU[ ， 。， 。业历山火藻 ( ．血ndyense)的同步培养
(synchronized cultures)实验 表 明 ，石 房蛤 毒 素
(saxitoxin，STX)是在细胞周期 G，期产生的[261。我们
在研究中发现，球形棕囊藻 ( globosa)毒素的合
成是到达平稳期时开始的，在对数生长时期它并不
合成溶血毒素 (另文发表)。微小业历山大藻合成
的膝沟藻毒素 l一4在生长平稳期后达到最多[241。
Philip等『2 7l的研究表明，所有产毒蓝藻巾，微囊藻毒
素的生成速率与细胞分裂速度存在线性关系；特殊
生理环境、温度、光照等因素对藻毒素生成的影响
是通过作用于细胞分裂速度而实现的，并非直接作
用于毒素产生的代谢途行=。
2．3 藻种和藻源因素
不同株系其产毒也可能存在差异性，这口J‘能是
山于在相同的生长条什 培养时，其生长速率的差
异性 致的，也可能是确实存在毒素合成能力的遗
传差异性[3_。分类地位差别很大的不同rf1藻种类，能
产生相同的毒素；甲藻产毒个体差异性很人，产毒、
不产毒甲藻的基冈图谱并无本质差别【 。这 ‘方面
可能是与甲藻生长速率的不同和藻种在新环境_l卜
的适应性有关【2_；另一方面，可能与细菌或其它共存
生物有关。
2．4 其它生物因素
有人认为，麻痹性贝毒的产生并非由遗传物质
决定，而是由生存在其细胞内的共生细菌产生的[28]。
海洋细菌在有毒藻产毒过程中可能具有十分晕耍
的作用[291。研究表明，实验室培养的有毒藻液和海洋
中均可存在与赤潮藻种密切相关的 自主产毒细
菌。如首次报道能独立产腹泻性 贝毒 (PSP)的
maraxela细菌就是分离于塔玛亚历山大藻，而随后
的报道发现塔玛亚历lI大藻中能独立产毒的细菌
少有两个种，并有不同产毒性能的菌株p0]；除 厂可
独立产毒外，海洋 菌还可显著影响有毒藻的
产毒 能力 ，如有 菌 的伪 菱 形藻(Pseudo．nitzschia
multiseries)培养液的毒性比兀菌培养液要少8—38
倍 。这种影响因菌种和藻种的不同而异，在某种
程度上存在特异的藻菌相互作用关系。海洋细菌既
町明显提高有毒藻产毒能 ，也可削弱有毒藻产毒
能力，其对有毒藻产毒过程的影响非常复杂，是藻
毒素产毒机理研究中一个 容忽视的因素[29]。除海
洋细菌外，其它共存生物的生长也对赤潮藻合成毒
素的能力有不同的促进作用 化感效应[8-io]。如蓝藻
(cyanobacteria)分泌的有毒物质抑制硅藻的生长；
在 P缺乏时 Chrysochromulina polylepis的毒素合成
增 加 并 强 烈 抑 制 叶l肋 骨 条 藻 (Skeletonem。
costatum)的生长[9,34]。
3赤潮藻毒素的生物合成途径的研究
藻类毒素足一类次级代谢产物，其化学结构十
分复杂 [I1 ]，参与合成这些终产：物的酶反应体系必
须是高度专一的。目前人们对毒素的生化合成途径
依然知之甚少，石房蛤毒素 (STX)的生物合成途径
是日前阐述得 比较清楚的极少数合成途径之 。
STX的化学结构类似于嘌呤碱，但并非源 自丁嘌呤
代谢途径，而是一条与精氨酸、s．腺苷甲硫氨酸、乙
酸及其它不甚明确的胞内代c身}物的代谢有关的途
径 (图 1)[3_。藻种 同其合成的 sTX毒素的组分不
同。显然，STX生物合成需要许多专一性的酶，而这
些酶的表达也受不同基冈控制， 此研究这些基因
是探讨 STX生物合成、演化及其在海洋 HAB种群
问转化的重要手段。由丁毒素生物合成的底物及其
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84 热带 热带植物学报 第 l4卷
Nucleus，NucIe0id
1 Saxitoxin的生化合成可能途径
Fig．1 Proposed biochemical pathway of saxitoxin synthesis(aRer Plumley
中间产物还不甚明了，对其酶反应分析非常困难。
上tH=纪末，对人田软海绵酸 (OA)的生物合成
研 究取得 了突破 。该毒 素是 由柠檬酸循 环衍
生物 (可能是来 自于 O／．一酮戊二 酸的谷氨酸)与
geranyl基 (可能是来 自于焦磷酸香叶酯 geranyl
pyrophosphate)缩聚的产物。而与此相对照的各种
定鞭金藻类聚酯类毒素 (如 BTX等)的牛物合成
就要复杂得多了。一些早期的研究提示，Krebs循
环中的乙酸类、二羧酸和 (或)氨基酸可能是这些
毒素的底物 。
Shimizu ，7l使用标记的前体化合物对 PSP毒
素的生物合成途径进行了深入研究，认为甲藻是通
过一个乙酸单元或者它的衍生物与精氨酸或其等
价物在 碳 卜的胺基进行 Claisen聚合，随后失玄
羰基碳，并在相邻的羰基碳上形成眯哗环而合成的
麻痹性贝毒。
显然，对赤潮藻毒素的生物合成研究涉及许多
问题。有研究表明，毒素的合成并不是藻类新陈代
谢所固有的，藻类生长环境对藻类毒素的积累及毒
素组成都有着强烈的影响。然而，环境和水生冈素
如何影响毒素的合成呢?这与藻类如何合成毒素是
有关的。另外，哪条代谢途径与毒素的合成有关呢?
表达毒素生物合成酶的基 是如何衍生呢?毒素合
成相关基I 如何向后代传递?这些基因是否会通过
有性和 (或)无性机制转移到其它物种?细菌是否
也具备制造“藻”毒素的遗传机制?这些问题解决
的前提有赖于分子，上物技l术的发展以及对生化途
径更为透彻的理解。
环境冈素如何控制毒素的合成涉及到以下几
个方面：1)需要扶得更多有关环境因素对 HAB物
种的牛长及毒素合成的影响数据：2)更多毒索合成
的遗传信息；3)阐明毒素合成的途径；4)解释 毒
素合成有关基冈的分予基础。这一方案将为我们推
断毒系生物合成的演化史，并为理解环境和水生冈
素如何影响毒素合成基因的表达建立一个相对清
晰的框架。
4赤潮藻毒素生物合成的分子生物学
技术研究及其展望
HAB物种、藻源、环境条件以及其它藻类的组
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成和丰度差异都可能是导致其毒素成分和含量变
化的因素 ， ]，这对研究者分离合成毒素的相关基
因来说是极为重要的。理论上，用于鉴定毒素合成
基冈的方案可分成两大类：其一，经典的基因鉴定
法，如基因突变技术和抗体技术等；其二，现代基因
鉴定法，如杂交技术、PCR扩增技术和限制性酶切
技术等，但是到目前为止还没有一种方法被成功地
应用于海洋藻类。
基因突变技术是经典的基因鉴定技术中发现
发展最早的一种。它是将大量细胞暴露于某种物理
或化学介质中进行基因诱变，然后将这些细胞在固
体培养基． 培养，将诱变后的单个菌落挑出，筛选
毒素牛成能力缺失表型 (tox‘)株。抗体技术，丰要用
于鉴定蛋白质类产品，其操作流程如 F；蛋白质一抗
体一基因表达文库的筛选一产毒基因的鉴定。但是，
很多藻类 (如甲藻、定鞭金藻等)都有一个巨大的
基因组及 个巨大的酶系统，采用这两种方法进行
赤潮藻产毒相关基因的鉴定是不太可能的 。
另外，也有研究显示，赤潮藻毒素生物合成基
因可能是通过质粒 DNA表达的，并通过细胞间的
接合或种问的有性繁殖从一个机体转移到另一个
机体的⋯。但在对细菌、蓝细菌及双鞭藻的研究中还
没有分离到与产毒相关的质粒 43l，至于其它赤潮
藻类中是否存在该类质粒，目前还未见相关报道。
由于赤潮藻基 组巨大，将其完整地克降丁其它载
体f如 Escherichia coli或 Yeast artifcial chromo
somes)进行表达，其成功的可能性不大。
利用赤潮藻种、藻源、环境条件以及其它藻类
的组成和丰度差异可导致其毒素成分利含量变化
来研究 HABs毒素生物合成基冈似乎是 一种极具
潜力的研究方向。目前用于这种差异基因分析鉴定
的 技 术 主 要 有 示 差 杂 交 (Diferential hybri．
dization)、eDNA微阵杂交(eDNA microaray hybri—
dization)、寡核苷酸微阵杂交(Oligonucleotide micro—
aray hybridization)，以及 eDNA表现度示芹分析
(cDNA representational diference analysis，cDNA
RDA)。但是这几种方法面临的 ·个共同难题是：在
消减中不能克服差异基因丰度差别大的问题。理想
的克隆系统是产生的差异表达基因代表性同等而
与其转录丰度无关，在进行筛选前允许进行消减效
率监控，以及能够最大限度地排除假阳性克隆。近
年米发展迅速的抑制消减杂交(SSH)，利用抑制
PCR能选择性地指数扩增不同丰度差异基因，使高
低丰度差异基因得到同等的展示机会。运用这一技
术结合消减 eDNA文库的高通量筛选，可快速鉴定
不同丰度差异基因，并确实地排除各种假阳性和假
阴性克隆 ， 。
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