張笑雨 朱建明 蔡中華 周 進(jìn)**

（1）清華大學(xué)深圳國際研究生院，海洋工程研究院，深圳 518055；2）哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，威海 264209）

海洋中微量金屬元素的生物地球化學(xué)循環(huán)是一個(gè)備受關(guān)注的議題。在眾多的微量金屬中，鐵是代表性成員之一；對(duì)絕大多數(shù)海洋浮游生物來說，鐵是其生長(zhǎng)所必須的一種重要元素。鐵作為輔因子在生化反應(yīng)、電子傳遞、代謝途徑等生命活動(dòng)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，重點(diǎn)表現(xiàn)在控制浮游植物的生產(chǎn)力和群落結(jié)構(gòu)等［1］。盡管在地殼中鐵元素儲(chǔ)量豐富，但鐵在海洋環(huán)境中主要以不易溶解的三價(jià)（Fe3+）氧化鐵或氫氧化鐵復(fù)合物形式存在，使得其生物可利用性極低。因此，生物常通過合成和分泌對(duì)Fe3+具有高親和力的小分子化合物鐵載體（siderophores），來螯合環(huán)境或宿主細(xì)胞中的鐵元素以滿足正常生命活動(dòng)的需求（圖1）［2］。

Fig.1 The affinity of siderophore to iron and its binding process with divalent and trivalent iron[2]圖1 鐵載體對(duì)鐵的親和及其與二價(jià)和三價(jià)鐵的結(jié)合過程［2］

海洋細(xì)菌產(chǎn)生了水體中大部分的有機(jī)鐵螯合劑［3］。這些細(xì)菌通過產(chǎn)生不同類型的鐵載體與浮游植物競(jìng)爭(zhēng)鐵，對(duì)海洋環(huán)境中的鐵含量和溶解度產(chǎn)生重大影響［4］。海洋鐵載體含有羥基羧酸官能團(tuán)，由檸檬酸類（如鏈球菌素（snychobactins）、巖桿菌素（petrobactin）、產(chǎn)氣菌素（aerobactin）和海藻菌素（marinobactins））或β-羥基天冬氨酸類（如水楊酸（aquachelins）、洛希其林（loihichelins）和細(xì)菌素（alterobactin））所提供，鐵載體通過形成Fe3+-載體復(fù)合物參與鐵的循環(huán)，從而增加細(xì)菌對(duì)鐵的利用率［5-6］。在海水中提取的天然有機(jī)物中，已檢測(cè)到具有典型鐵載體性質(zhì)的羥酯和兒茶酚（catecholates）化合物［7-8］。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，在表層和深海分別存在多樣化的鐵氧胺G和鐵氧胺E，這兩種物質(zhì)是鐵載體典型的賦存形式，并維持著鐵的生物可利用度。這表明鐵載體在提高海洋水體中鐵的豐度和有效性方面發(fā)揮了重要作用，從而推動(dòng)了鐵的生物地球化學(xué)循環(huán)［9-10］。

對(duì)海洋中鐵載體的分離、鑒定和生物學(xué)功能研究已有幾十年的歷史，對(duì)它們?cè)谖⑸镏械霓D(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、合成途徑、生態(tài)功能也有了廣泛而深入的認(rèn)識(shí)。對(duì)于鐵載體的生物合成機(jī)制及相應(yīng)生態(tài)學(xué)功能，近十年間也取得了顯著進(jìn)展?；谶@些進(jìn)展，本文主要圍繞海洋微生物鐵載體的生態(tài)學(xué)過程展開評(píng)述，以期對(duì)這類天然產(chǎn)物的生物合成機(jī)理、代謝途徑、生態(tài)功能和未來研究態(tài)勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，提高對(duì)其在整個(gè)海洋鐵循環(huán)中所起生態(tài)作用的理解。

1 鐵循環(huán)的微生物學(xué)過程

Fig.2 The main iron cycle process in the ocean(siderophores)[11]圖2 海洋中主要鐵循環(huán)過程（含鐵載體）［11］

依據(jù)物理、化學(xué)和生物的原理，Kappler等［11］總結(jié)了海洋微生物鐵循環(huán)，勾勒了不同水層中鐵的氧化-還原狀態(tài)及涉及的關(guān)鍵微生物學(xué)過程（圖2）。微生物介導(dǎo)的鐵代謝主要包括氧化和還原反應(yīng)，氧化過程大體分為4類，即O2氧化、生物礦化、光化學(xué)反應(yīng)以及硝酸鹽氧化［12］。介導(dǎo)鐵氧化的微生物被稱為鐵氧化菌（Fe-oxidizing microorganism，F(xiàn)OM），包含4種類型：中性好氧鐵氧化菌（aerobic neutrophilic FOM）、嗜酸性好氧鐵氧化菌（aerobic acidophilic FOM）、厭氧光合鐵氧化菌（anaerobic anoxygenic photosynthesis FOM）以及硝酸鹽依賴型鐵氧化菌（anaerobic nitrate-dependent FOM，ANDFOM）［13］。在海洋中，不同水層的光照、溶氧、溫度及元素組成不同，這使得鐵的氧化過程還耦合了其他元素的代謝循環(huán)。例如，在與氮（N）元素的耦合關(guān)系上，異化鐵還原、鐵氨氧化、反硝化過程是海洋環(huán)境中鐵氮循環(huán)耦聯(lián)的重要方式。浮游植物的光合作用是固定大氣CO2的主要形式，將無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳是食物網(wǎng)C循環(huán)的主要推手。有研究發(fā)現(xiàn)鐵有利于提升浮游植物的固碳效率［14］，鐵的利用與再生為碳循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行提供了驅(qū)動(dòng)力［15］。

鐵的還原過程包括膠體鐵的還原、鐵-有機(jī)配體的光還原或生物還原。鐵在海洋中主要以無機(jī)態(tài)Fe3+離子或者綁定有機(jī)配體的鐵載體復(fù)合物（Fe3+L）形式存在，其中Fe3+L是主要的存在形式（占99%以上）。鐵還原可以引起Fe3+L的解離或產(chǎn)生Fe3+離子，前者是解離性還原，后者是非解離性還原［16］。Fe3+異化鐵還原是古菌和細(xì)菌等鐵還原菌通過氧化有機(jī)或無機(jī)物將電子傳遞給末端電子受體Fe3+并產(chǎn)生其所需能量的過程，因此異化鐵還原又稱鐵呼吸［17］。異化鐵還原細(xì)菌采用以下3種方式將電子傳遞到Fe3+礦物表面：a.微生物與Fe3+直接接觸；b.微生物分泌胞外螯合物促進(jìn)Fe3+的溶解；c.微生物利用電子穿梭體作為中介使電子到達(dá)礦物表面［18］。到目前為止已有超過71種海洋鐵還原菌被鑒定［19］，其中地桿菌（Geobacteraceae）和希瓦氏菌（Shewanella）是研究最多的兩種鐵還原菌［20］。

2 鐵載體的類型

鐵載體的分子質(zhì)量在500～1500 u之間，多為八面體構(gòu)型，主要為異羥肟酸（hydroxamates）或鄰苯二酚衍生物。目前，從海洋環(huán)境中分離并鑒定的鐵載體已超過200種，主要分為異羥肟酸、兒茶酚、羧酸鹽（carboxylates）以及一些混合類型（圖3）。具有鐵載體產(chǎn)生能力的細(xì)菌也較為廣泛，包括變形菌（Proteobacteria）（α-、β-、γ-、δ-綱）、厚壁菌（Firmicutes）、放線菌（Actinobacteria）和酸桿菌（Acidobacteria）等［21］。

Fig.3 Main types of siderophores圖3 鐵載體的主要類型

3 鐵載體的生物合成

真核生物中，鐵載體的生物合成常始于檸檬酸、氨基酸、二羥基苯甲酸鹽和?；?羥基鎳氨等前體［22］，負(fù)責(zé)鐵載體合成的操縱子包括sidA、sidD、sidG、sidF、sidC以及sidL基因，其中真菌的鐵載體合成都是從L-鳥氨酸（L-ornithine）開始，一般僅產(chǎn)生羥肟酸類鐵載體［23］；原核生物中常見鐵載體前體是腸桿菌素（enterobactin），其合成操縱子包括entC/D/E/B/A/H家族、fepA/B/C/D/E/G家族以及entS元件［24］。

在微生物中負(fù)責(zé)鐵載體生物合成的途徑主要分為兩大類：一類是依賴于非核糖體肽合成酶（nonribosomal peptide synthetase，NRPS）的生物合成途徑。目前NRPS的催化機(jī)制已經(jīng)得到很好的闡明，許多鐵載體如腸桿菌科（Enterobacteriaceae）產(chǎn)生的腸桿菌素［25］、假單胞菌（Pseudomonas）中的銅綠假單胞菌鐵載體（pyoverdine）［26］以及黑粉菌（Ustilago maydis）產(chǎn)生的高鐵色素（ferrichrome）［27］等都是通過這一機(jī)制合成。另一類是不依賴于NRPS的合成途徑，參與這一途徑的鐵載體合成酶家族直到近年才開展精細(xì)的研究，例如腸桿菌產(chǎn)生的產(chǎn)氣菌素［28］、金黃葡萄球菌（Staphylococcus aureus）合成的載鐵素（staphyloferrin）［29］以及鏈霉菌（Streptomycete）分泌的去鐵草酰胺（desferrioxamine）［30］等。

在第一種途徑中，典型的NRPS是以模塊形式存在的多功能酶，通常包含3種基本模塊（起始、延伸和終止模塊）。每個(gè)模塊含有一套獨(dú)特的、非重復(fù)使用的催化功能域。起始模塊只含有一個(gè)腺苷化功能域（adenylation domain）和一個(gè)肽酰基載體蛋白（peptidyl carrier protein，PCP）。而延伸模塊通常至少含有3個(gè)最基本的催化功能域，即腺苷化功能域、肽?；d體蛋白，以及縮合結(jié)構(gòu)域（condensation domain）。在終止模塊中，除了一個(gè)正常的延伸模塊外，在其碳末端還有一個(gè)硫酯酶功能域（thioesterase）。此外，有的模塊還含有其他的修飾功能域，例如甲基化酶（methytransferase）功能域和表異構(gòu)化酶（epimerase）功能域。在第二種途徑中，即不依賴于NRPS體系，大腸桿菌（Escherichia coli）K-12產(chǎn)生的產(chǎn)氣菌素是最早發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的不依賴于NRPS方式合成的鐵載體。在鐵缺乏的培養(yǎng)基中，多種革蘭氏陰性菌如大腸桿菌、志賀氏菌、耶爾森氏菌和沙門氏菌中都能產(chǎn)生產(chǎn)氣菌素，并且在大腸桿菌的質(zhì)粒pColV-K30上鑒定了它的生物合成基因簇［28］。

4 鐵載體的轉(zhuǎn)運(yùn)與調(diào)控機(jī)制

4.1 鐵載體的轉(zhuǎn)運(yùn)

革蘭氏陰性菌對(duì)Fe3+L的吸收依賴于外膜受體（OMR）、周 質(zhì) 結(jié) 合 蛋 白（periplasmic binding proteins，PBPs）、TonB復(fù)合物 以 及ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體（ATP binding cassette transporters）等。Fe3+L到達(dá)的第一個(gè)靶點(diǎn)是能識(shí)別并結(jié)合該復(fù)合物的特定OMR。Fe3+L的跨膜運(yùn)輸是一個(gè)依賴能量的過程［31］，這個(gè)能量由TonB復(fù)合物提供，它由3種周質(zhì)膜蛋白構(gòu)成（TonB、ExbB和ExbD）［32］，且分別嵌于細(xì)胞質(zhì)膜上［33］。TonB復(fù)合物借助細(xì)胞膜上的質(zhì)子動(dòng)力到達(dá)外膜，從而促進(jìn)Fe3+L從外膜主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞周質(zhì)，然后與周質(zhì)結(jié)合蛋白相結(jié)合［34］。形成的Fe3+-鐵載體-PBPs復(fù)合物通過ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體跨過細(xì)胞內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)（圖4a）［35］。ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體位于細(xì)胞內(nèi)膜，它能利用ATP水解產(chǎn)生的能量將復(fù)合物逆濃度梯度泵到細(xì)胞質(zhì)外，一旦鐵載體到達(dá)細(xì)胞質(zhì)Fe3+就會(huì)被釋放出來［36］。對(duì)海洋模式生物三角褐指藻（Phaeodactylum triconutum）的研究發(fā)現(xiàn)：鐵載體基因sid編碼的蛋白質(zhì)會(huì)結(jié)合Fe3+，綁定上游結(jié)合蛋白1（far upstream element binding protein 1，F(xiàn)BP1），從而實(shí)現(xiàn)Fe3+離子化合物向膜內(nèi)的運(yùn)輸（圖4b）［37］。

與革蘭氏陰性菌不同，革蘭氏陽性菌不具備外膜或周質(zhì)區(qū)，F(xiàn)e3+L轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)的途徑不確定是否與革蘭氏陰性菌不同，但它們都存在周質(zhì)結(jié)合蛋白受體和ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體。如金黃色葡萄球菌的PBPs受體對(duì)Fe3+L表現(xiàn)出更高的親和力，從而可以從環(huán)境中攝取Fe3+L，并在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的協(xié)助下轉(zhuǎn)運(yùn)到革蘭氏陽性菌的細(xì)胞質(zhì)［38］。

Fig.4 Transmembrane transport involved in siderophores[35-37]圖4 鐵載體的跨膜運(yùn)輸過程［35-37］

此外，近年來海洋真菌也證實(shí)具有鐵載體轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，其工作原理大體分為4類。a.穿梭機(jī)制，鐵載體復(fù)合物被運(yùn)輸穿過細(xì)胞膜，在那里Fe3+被配體釋放并被還原酶還原，例如真菌（如黑粉菌U.maydis）對(duì)高鐵色素的運(yùn)輸［39］。b.“的士”機(jī)制，來自胞外鐵載體的Fe3+通過細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)配體上，類似于搭乘的士進(jìn)行內(nèi)外穿梭。c.水解機(jī)制，整個(gè)Fe3+L被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞中，經(jīng)過多次還原和降解過程釋放Fe3+離子化合物。Fe3+在細(xì)胞內(nèi)被還原為Fe2+，鐵載體再次被分泌到胞外［40］。d.還原機(jī)制，F(xiàn)e3+-載體復(fù)合物不跨細(xì)胞膜運(yùn)輸，F(xiàn)e3+還原為Fe2+發(fā)生在細(xì)胞膜上，然后還原的Fe被細(xì)胞吸收，這一過程常被稗黑穗病菌（Ustilago sphaerogena）用于從高鐵色素中吸收Fe3+［41］。

4.2 調(diào)控機(jī)制

在生物合成之后，鐵載體被分泌到環(huán)境中以獲取鐵［42］。其外排動(dòng)力主要包括協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)超家族蛋白（major facilitator superfamily，MFS）和抗性-結(jié)瘤-細(xì)胞分裂超家族外排泵（resistance-nodulationdivision，RND）等。在第一種途徑MFS中，許多依賴NRPS合成途徑的鐵載體基因簇都含有MFS轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因。MFS家族蛋白是分子質(zhì)量最大的一類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，擁有12個(gè)以上的跨膜α螺旋［43］，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)離子、碳水化合物、脂質(zhì)、肽、核苷和其他次生代謝產(chǎn)物［14］。第二種途徑RND最早在銅綠假單胞菌（P.aeruginosa）中發(fā)現(xiàn)，該菌的MexAB-OprM系統(tǒng)是在鐵載體熒光素分泌中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)RND泵［44］。在大腸桿菌中，TolC與RND泵互補(bǔ)負(fù)責(zé)將鐵載體腸桿菌素泵出外膜［45］。此外，MmpS5-MmpL5型RND外排泵在結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）中被鑒定［46］，該泵受轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子Rv0678的調(diào)節(jié)［47］，缺少Rv0678的突變體不會(huì)影響鐵載體羧基分枝桿菌素的吸收，但會(huì)影響細(xì)胞的生長(zhǎng)［48］。

鐵載體的調(diào)控機(jī)制主要包括鐵吸收調(diào)控蛋白和σ因子調(diào)節(jié)。第一種方式中調(diào)節(jié)胞內(nèi)鐵平衡利用的是Fur蛋白（ferric uptake regulator）［49］。在高濃度鐵的條件下，過量的鐵離子與Fur蛋白結(jié)合，從而抑制鐵載體合成和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)基因的轉(zhuǎn)錄，同時(shí)Fur蛋白通過小RNA RyhB來間接促進(jìn)儲(chǔ)鐵蛋白的表達(dá)，以防止胞內(nèi)過量的鐵發(fā)生芬頓反應(yīng)（Fenton reaction）產(chǎn)生羥基自由基損傷細(xì)胞；而在低鐵濃度條件下，F(xiàn)ur蛋白上無鐵離子結(jié)合從而失去了活性，解除了對(duì)鐵載體合成基因和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)基因轉(zhuǎn)錄的阻遏，間接調(diào)控著儲(chǔ)鐵蛋白的表達(dá)［49］。在第二種方式中，主要通過σ因子調(diào)節(jié)鐵載體受體的轉(zhuǎn)錄來實(shí)現(xiàn)。σ因子幾乎存在于所有的細(xì)菌中，調(diào)節(jié)多個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄并參與鐵載體的合成和吸收［50］。銅綠假單胞菌的PvdS、熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）的PbrA、惡臭假單胞菌（P.putida）的PfrI/PupI以及大腸桿菌K-12的Fec家族都具有σ因子屬性并行使對(duì)鐵載體的調(diào)節(jié)［51］。以大腸桿菌的σ因子為例，F(xiàn)ecA是大腸桿菌K-12中轉(zhuǎn)運(yùn)檸檬酸鹽-鐵結(jié)合體的受體，fecA基因?qū)儆趂ecA/B/C/D/E操縱子族，而fecA/B/C/D/E的轉(zhuǎn)錄依賴于σ因子FecI。當(dāng)胞外鐵載體結(jié)合到受體FecA之后，F(xiàn)ecA將信號(hào)傳遞到內(nèi)膜蛋白FecR，F(xiàn)ecR將信號(hào)穿過內(nèi)膜傳遞到FecI，隨后FecI指導(dǎo)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄fecA/B/C/D/E操縱子，F(xiàn)ecI的活性受抗σ因子的元件——FecR調(diào)控。FecA與FecR以及FecR與FecI之間的相互作用已被證明，其中FecA的N端和FecR的C端相互作用，而FecR的胞質(zhì)部分和FecI相互關(guān)聯(lián)［12］。

5 海洋微生物鐵載體的攝取

海水中鐵的不足催生了螯合劑的出現(xiàn)，促使生物能更為有效地獲取鐵，原核生物和真核生物中均存在不同的鐵載體攝取機(jī)制。

5.1 原核生物鐵載體的攝取

在革蘭氏陰性菌中，每個(gè)鐵載體復(fù)合物都被一個(gè)特定的OMR所識(shí)別。雖然OMR極其多樣，但鐵載體復(fù)合體被吸收的普遍模式是：OMR與內(nèi)膜蛋白TonB相互作用，以促進(jìn)鐵載體復(fù)合體的吸收。目前的模型（圖5）表明，TonB將內(nèi)膜蛋白ExbB和ExbD以及細(xì)胞呼吸時(shí)產(chǎn)生的能量傳遞給OMR，從而導(dǎo)致OMR的構(gòu)象變化以促進(jìn)鐵與鐵載體向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)［52］。在大腸桿菌中，鐵載體腸桿菌素被外膜受體FepA識(shí)別，一旦腸桿菌素穿過外膜，周質(zhì)結(jié)合蛋白FepB就會(huì)將其運(yùn)送到內(nèi)膜，在內(nèi)膜上由FepC、FepD和FepG組成的復(fù)合體將腸桿菌素運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中。其他鐵載體的吸收機(jī)制大體相似，但略有不同，例如銅綠假單胞菌的熒光鐵載體被OMR識(shí)別后，是在周質(zhì)結(jié)合蛋白FpvC和FpvF的作用下泵入細(xì)胞質(zhì)［53］。

Fig.5 Microbial iron uptake and siderophore transport(Gram-negative bacterium)[53]圖5 微生物的鐵攝取與鐵載體轉(zhuǎn)運(yùn)（革蘭氏陰性菌）［53］

目前證據(jù)表明原核生物能夠通過還原機(jī)制從有機(jī)螯合物中獲得鐵，其效率取決于鐵復(fù)合物和原核生物種類。細(xì)菌通常通過TonB依賴的外膜受體運(yùn)輸鐵載體，這是一類依賴于TonB蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)體，它跨越周質(zhì)空間為外膜的吸收作用供能［54-55］。依賴TonB的受體在藍(lán)細(xì)菌Synechocystis sp.PCC 6803中得到確認(rèn)［56］，這些受體基因經(jīng)常存在于它們的基因組中。生物不產(chǎn)生鐵載體，但可能利用其TonB依賴受體來竊取其他物種產(chǎn)生的鐵載體，這也是許多細(xì)菌常用的策略［57］。海洋環(huán)境中藍(lán)細(xì)菌Synechococcus sp.PCC 7002和Synechococcus sp.WH7803能夠從各種羥酯和兒茶酚酸鐵載體中獲得鐵［58］。從大西洋收集的束毛藻（Trichodesimum sp.）發(fā)現(xiàn)其能夠從一系列鐵載體（包括去鐵氧胺、紅烏酸和鐵鉻）中獲取鐵［59-60］。與近岸的藍(lán)細(xì)菌不同，遠(yuǎn)洋微小藍(lán)細(xì)菌（Picocyanobacteria）和固氮菌的基因組中還未發(fā)現(xiàn)TonB依賴受體的基因，這表明細(xì)菌運(yùn)輸鐵載體的途徑具有空間差異和種屬異質(zhì)性［61-62］。此外，魚腥藻Anabaena sp.PCC 7120中裂殖素受體與已知的羥肟酸鐵載體受體同源，并在基因組中與裂殖素生物合成基因搭配，最近已通過基因敲除實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其功能［63］。

除了依賴TonB的方式，一些細(xì)菌缺少TonB依賴外膜受體，它們進(jìn)化出了一個(gè)備選方式，即將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+的還原過程，從而促進(jìn)鐵的吸收。還原過程可以像真核生物那樣直接發(fā)生在膜表面，也可能通過電子穿梭間接發(fā)生。底棲海洋藍(lán)藻（Lygbya majuscula）已被證實(shí)由自由基陰離子超氧化物充當(dāng)穿梭器［64］。最近對(duì)大洋聚球藻屬（Synechococcusspp.）和紅海束毛藻（Trichodesmium erythraeum IMS101）的研究表明，這兩種生物都能還原鐵，而對(duì)于Trichodesmium erythraeum IMS1011來說，二價(jià)鐵螯合劑的加入降低了鐵載體對(duì)鐵的吸收速率，表明吸收過程涉及到一個(gè)還原步驟。此外，“鐵載體穿梭”機(jī)制還可以解釋異養(yǎng)細(xì)菌中不加區(qū)分的鐵載體轉(zhuǎn)運(yùn)，雖然對(duì)其機(jī)制的了解才剛剛開始，但推測(cè)可能與以下因素有關(guān)：鐵螯合物電位的差異，電子穿梭還原的敏感性，鐵載體通過外膜擴(kuò)散的能力以及膜孔蛋白的大小等［65］。

5.2 海洋真核生物鐵載體的攝取

真核生物獲得鐵載體的機(jī)制在角毛藻屬Thalassiosira中得到了最充分的展現(xiàn)。目前的硅藻鐵吸收途徑模型及其分子基礎(chǔ)與酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）的模型非常相似。在酵母中，鐵以及鐵的有機(jī)螯合物，被細(xì)胞表面的鐵還原酶還原釋放出Fe2+，然后被細(xì)胞質(zhì)膜中的多功能鐵氧化酶氧化，并被一種滲透酶內(nèi)化［66］。類似地，硅藻會(huì)減少鐵載體和其他有機(jī)鐵配合物的結(jié)合，并促進(jìn)鐵的吸收［67-69］。盡管硅藻產(chǎn)生的超氧化物最終在環(huán)境中會(huì)促進(jìn)鐵的消耗，但氧氣的快速氧化會(huì)形成一種無效的氧化-還原循環(huán)，不利于鐵的吸收［70］。相反，硅藻吸收途徑可能包括細(xì)胞表面的鐵還原酶，其中一些已在三角褐指藻的基因組中被鑒定，并受鐵元素的制約［71］。

以真核環(huán)境的藻際生態(tài)位為例，Sutak等［37］總結(jié)了硅藻生物鐵的來源、主要的氧化-還原過程以及鐵載體的作用（圖6），這為認(rèn)識(shí)藻類真核生物的鐵獲取機(jī)制提供了重要參照。由于藻類種類繁多，也存在一些與硅藻不同的機(jī)制，如兩種真核綠藻（金牛鴕球藻（Ostreococcus tauri）和綠色鞭毛藻（Ostreococcus lucimarinus）），它們?nèi)狈€原酶型鐵吸收系統(tǒng)［72］，而具有與原核鐵載體攝取途徑相似的基因，因而表現(xiàn)出與硅藻不同的鐵攝取策略，即更傾向于針對(duì)特定的鐵螯合物［73］。

Fig.6 The source of iron in marine planktonic algae,the participation of siderophores and the process of iron turnover[73]圖6 海洋浮游藻類鐵的來源、鐵載體的參與及鐵周轉(zhuǎn)過程［73］

海洋環(huán)境中鐵載體和其他強(qiáng)鐵螯合劑的存在推動(dòng)了浮游植物鐵捕獲機(jī)制的發(fā)展。幾乎所有被研究中，有機(jī)螯合物中的Fe3+被還原成Fe2+是吸收途徑的重要環(huán)節(jié)［64，68，74］，光還原以及隨后從鐵載體中釋放鐵也可能是增加無機(jī)鐵和生物可利用鐵濃度的重要過程之一［5，75］。鐵載體的產(chǎn)生和利用的分子過程機(jī)理是今后研究的熱點(diǎn)，未來工作中了解鐵載體在海水中的分布和影響因素（鐵的有效性、理化參數(shù)、化學(xué)感應(yīng)、級(jí)聯(lián)效應(yīng)等）將有助于揭示真核生物捕獲鐵載體的機(jī)制。

6 鐵載體的功能

6.1 抗氧化應(yīng)激

鐵載體被認(rèn)為可以減少微生物的氧化應(yīng)激，如腸桿菌素在氧化應(yīng)激期間通過降低氧化應(yīng)激源對(duì)鐵的親和力，進(jìn)而穩(wěn)定活性氧（reactive oxygen species，ROS）抵消鐵的抑制作用［24］。在巨噬細(xì)胞入侵鼠傷寒菌（Salmonella typhimurium）的模型中，腸桿菌素通過抑制活性氧對(duì)細(xì)胞提供保護(hù)［76］。除了腸桿菌素的抗氧化活性，鐵載體還具有遠(yuǎn)程感應(yīng)的能力來緩解氧化應(yīng)激。遠(yuǎn)程感應(yīng)即鐵載體在配體結(jié)合條件下，通過誘導(dǎo)特定的遺傳應(yīng)答感知元件來調(diào)節(jié)微生物附近的鐵濃度［77］。這種機(jī)制已在銅綠假單胞菌中被觀察到，銅綠假單胞菌可分泌兩種主要的鐵載體——熒光載鐵素和螯鐵蛋白（pyochelin）。在金屬脅迫過程中，抗氧化酶如超氧化物歧化酶（ruperoxide dismutase，SOD）和過氧化物酶（peroxidase，POD）的活性增加以對(duì)抗活性氧的上升，活性氧的增加也會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化體的增加。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在鐵載體時(shí)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)增加，而SOD和POD活性雙雙降低［78］。

6.2 毒力控制

鐵載體在病原體的毒力代謝過程中起著重要作用。在動(dòng)物體內(nèi)血清病原體必須結(jié)合到轉(zhuǎn)鐵蛋白、鐵蛋白和血紅蛋白上才能獲得鐵。因此，鐵載體螯合劑對(duì)病原體的毒力至關(guān)重要。一種被稱為鐵鈣素的中性粒細(xì)胞明膠酶脂蛋白（NGAL）能與細(xì)菌兒茶酚類鐵載體結(jié)合，削弱毒力表達(dá)［79］。相應(yīng)地，為了對(duì)抗毒力的削弱，大腸桿菌產(chǎn)生弱鐵載體（如產(chǎn)氣菌素）以減少這種結(jié)合。在煙曲霉引起的肺曲霉病小鼠模型中，缺乏完整的鐵載體系統(tǒng)使真菌完全失去毒性［80］。Fetherston等［81］的一項(xiàng)研究表明，當(dāng)小鼠皮下感染時(shí)，鼠疫耶爾森菌（Yersinia pestis）中鐵載體系統(tǒng)的丟失導(dǎo)致了毒力損失，其損失程度變?yōu)槲磥G失時(shí)的4.3×105倍。在敗血癥模型中發(fā)現(xiàn)鐵載體系統(tǒng)與基因毒素（coliobactin）一起在細(xì)菌感染過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用［82］。此外，有報(bào)道稱，編碼外膜受體的基因psn發(fā)生突變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鼠疫耶爾森菌的毒力減弱至3%［81］。另有一些作者報(bào)道，細(xì)菌毒力的有無取決于鐵載體類型，如有氧肌動(dòng)蛋白（aerobactin）、耶爾西尼亞肌動(dòng)蛋白（yersiniabactin）和血紅素受體（heme receptors）對(duì)大腸桿菌CFT073和尿路感染小鼠模型的毒力很重要，但兒茶酚酸受體對(duì)其則無影響［83］。

6.3 鐵硫聚合物的形成

鐵-硫簇是許多蛋白質(zhì)中必不可少的輔因子，具有多樣的功能，其產(chǎn)生大致源于兩種機(jī)制，其一是線粒體的鐵硫團(tuán)簇機(jī)制（iron-sulfur cluster machinery，ISC）［84］，其二是產(chǎn)生胞質(zhì)鐵硫團(tuán)簇組裝 產(chǎn) 物（cytosolic iron-sulfur cluster assembly，CIA）［85-86］。Fe-S簇生物合成對(duì)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)具有重要作用，且參與Fe-S簇生物合成的基因都是必需基因，例如鐵載體。目前鐵載體在真菌中的核心ISC鐵感應(yīng)作用已在釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、白色念珠菌（Candida albicans）、酒色 酵 母（Saccharomyces pombe）、假 絲 酵 母（Candida neoformans）、煙 曲 霉 菌（Aspergillus fumigatus）和禾谷鐮孢菌（Fusarium graminearum）中得到證實(shí)［84-85，87-88］。同時(shí)，在海洋中發(fā)現(xiàn)隱孢子蟲Cryptosporidium fumigatus和白色念珠菌Candida neoformans的鐵載體具有與CIA發(fā)生物理接觸的作用，缺乏鐵載體會(huì)嚴(yán)重干擾鐵硫聚合物的形成，從而引起對(duì)細(xì)胞的損傷甚至死亡［74，89］。在一些生態(tài)現(xiàn)象中（例如海灣沉積物的底質(zhì)黑臭），本課題組最新的研究發(fā)現(xiàn)鐵硫聚合物的形成是導(dǎo)致深圳灣沉積物H2S產(chǎn)生的原因，而鐵載體的存在為微生物的鐵代謝提供了原初動(dòng)力，其中最活躍的基因是鐵存儲(chǔ)基因（iron storage genes，ISG）和 鐵 轉(zhuǎn) 運(yùn) 基 因（iron transport genes，ITG）［90］。

6.4 病原體的防控

鐵是病原體及其宿主必需的微量元素，然而病原體在感染期間通常會(huì)遇到鐵限制，因?yàn)樗拗鞯蔫F通常被蛋白質(zhì)緊緊隔離。在海洋哺乳動(dòng)物宿主中，鐵主要以血紅素形式存在于血紅蛋白中，以離子的形式存在于胞內(nèi)儲(chǔ)鐵蛋白和細(xì)胞內(nèi)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中，如鐵S簇和血紅素。為侵染宿主，病原體進(jìn)化出從宿主那里“偷取”鐵的策略。因此，對(duì)鐵的競(jìng)爭(zhēng)是決定宿主-病原體關(guān)系的關(guān)鍵因素［91-93］。鐵載體通過限制細(xì)菌必要鐵元素的獲取，在疾病防控中扮演重要角色［94］。這一過程的主要原理是通過產(chǎn)生轉(zhuǎn)鐵蛋白來與宿主競(jìng)爭(zhēng)鐵并抑制宿主生長(zhǎng)［95］。宿主的生防機(jī)制是依賴于病原菌產(chǎn)生的轉(zhuǎn)鐵蛋白與生防菌產(chǎn)生的鐵載體在與鐵形成配合物方面的競(jìng)爭(zhēng)，生防菌因鐵載體具有較高的鐵穩(wěn)定常數(shù)而在博弈中勝出［96］。芽孢桿菌菌株NM 12產(chǎn)生的鐵載體具有廣泛的抗菌譜，抑制了62.5%的海水魚類腸道細(xì)菌的生長(zhǎng)［94］。此外，還發(fā)現(xiàn)蠟樣芽孢桿菌產(chǎn)生的鐵載體可以抑制致病菌嗜水氣單胞菌的生長(zhǎng)［97］。最近的研究表明熒光假單胞菌可抑制幾種常見海洋魚類病原體（鰻弧菌（Vibrio anguillarum）、霍亂弧菌（Vibrio ordalii）、氣單胞菌（Aeromonas salmonicida）、鏈球菌（Lactococcus garvieae）、海豚 鏈 球 菌（Streptococcus iniae）、黃 桿 菌 屬（Flavobacterium）和嗜冷微生物屬（Psychrophilum）），并 當(dāng) 作 益 生 菌 添 加 劑使用［98-100］。

除了抗病，鐵載體還具有規(guī)避致病菌耐藥性的作用，其原理是借助抗生素分子與鐵載體連接形成鐵載體-抗生素耦合物，該耦合物能夠選擇性地結(jié)合細(xì)胞膜表面的鐵載體外膜受體，在此基礎(chǔ)上經(jīng)主動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞膜，然后通過釋放藥物進(jìn)而發(fā)揮抗菌作用［101］。近年來發(fā)現(xiàn)高鐵霉素可以作為治療海洋細(xì)菌感染的潛在藥物［33，102］。高鐵霉素是天然產(chǎn)生的可以共價(jià)連接到抗生素分子部分的鐵載體-藥物耦合物，它采用“特洛伊木馬策略”［103］，將藥物分子傳遞到特定藥物分子的靶定位點(diǎn)，起到精準(zhǔn)輸藥的作用。作為一種傳遞抗生素分子的新型方法，目前高鐵霉素對(duì)解決細(xì)菌的耐藥問題具有巨大潛力。此外本課題組最近的研究發(fā)現(xiàn)，藻際微生物群落中鐵載體的合成、鐵離子的氧化和轉(zhuǎn)運(yùn)可能和有害藻華的開始和消亡有相關(guān)性［104］。

7 總結(jié)與展望

鐵載體在海洋中的作用已有不少探討，包括其來源、類型、合成途徑、生物學(xué)功能等，這些為認(rèn)識(shí)微生物的進(jìn)化策略和海洋鐵循環(huán)提供了重要幫助，同時(shí)也為理解系統(tǒng)層面的海洋微量元素循環(huán)提供了視角。然而，基于整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)的生境多樣性和時(shí)空多變性，同時(shí)也基于鐵循環(huán)的復(fù)雜性，有必要在更多的細(xì)節(jié)上進(jìn)行精細(xì)考慮，以期更好的認(rèn)識(shí)鐵載體的驅(qū)動(dòng)作用，未來的工作中可重點(diǎn)關(guān)注的方向如下：

a.深入研究鐵載體與海洋微生物之間的互作機(jī)理。盡管目前針對(duì)鐵載體影響藻類、細(xì)菌、古菌的研究已取得了一定的進(jìn)展，但研究結(jié)果往往局限于對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述，部分機(jī)理還停留在推測(cè)階段，尚未在大尺度環(huán)境中證實(shí)鐵載體對(duì)生物的級(jí)聯(lián)效應(yīng)或食物鏈效應(yīng)。此外，現(xiàn)有的研究工具主要是微生物學(xué)方法和組學(xué)技術(shù)，還缺乏一些“一對(duì)一”的功能驗(yàn)證方式，未來需要擴(kuò)展更為高階的方法，如拉曼光譜分選、偏振光檢測(cè)，以及穩(wěn)定同位素標(biāo)記等技術(shù)。

b.加強(qiáng)合成生物學(xué)手段的應(yīng)用。鐵載體的獨(dú)特生物學(xué)作用使得人們對(duì)它的研究興趣與日俱增。伴隨合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，合成基因簇中特殊功能酶的編輯拓寬了對(duì)鐵載體類型的選擇渠道，提升了鐵載體獲取能力，也為化學(xué)與生物學(xué)交叉研究提供了一個(gè)很好的支點(diǎn)。例如，開發(fā)鐵載體-藥物耦合物，解決多重耐藥性細(xì)菌性疾病問題，以及開發(fā)特殊功能微生物（益生菌等），進(jìn)行海洋中生態(tài)位營造和受損系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)等。

c.拓展生物耦合研究?，F(xiàn)有的研究主要集中于海洋微生物分泌鐵載體的類型、利用鐵載體能力、產(chǎn)鐵載體的特殊微生物（如固氮、固碳等），而對(duì)于鐵載體在整個(gè)物質(zhì)循環(huán)中的調(diào)控機(jī)制研究得還較少，尤其是鐵載體行為與其他元素（C、N、P、S）的耦合能力。后續(xù)的研究需要進(jìn)一步綁定鐵代謝與主導(dǎo)元素的調(diào)節(jié)過程和生態(tài)機(jī)制，更好地解釋海洋元素的物質(zhì)循環(huán)機(jī)理和周轉(zhuǎn)過程，為擴(kuò)大海洋碳中和的能力探索更多的科學(xué)方法。