群体感应对鱼类腐败的影响研究

顾清清 王彦波

(浙江工商大学食品质量安全系，浙江省食品安全重点实验室，浙江杭州310035)

20世纪70年代，Nealson等发现了两种会发光的海洋细菌——费氏弧菌(Vibrio fischeri)和哈氏弧菌(Vibrio harveyi)，并对其发光机制进行了研究，发现这两个种群都是依赖荧光素酶结构上的luxA-E基因来编码和调控生物发光的[1-3]，且只有在细胞对数生长中期才会发生，从而得出细菌发光与细菌密度有关，并把这种现象叫做“自身诱导作用”，即群体感应(quorum sensing，QS)[4]。随后 20世纪 90年代，Fuqua等将群体感应定义为：当细菌的数量达到一定密度时才能发生的感应现象[5]。细菌具有感受和适应不断变化的环境的能力，随着自诱导产生菌数量的增长，集中释放自诱导物增加，当信号分子的浓度达到临界阈值时，信号分子能够与受体蛋白结合，使受体蛋白构象发生变化，从而激活靶基因的表达[6]，展现出新的行为特征，如：生物发光[2]、生物膜的形成[7]、抗生素的产生[8]、色素的合成[9]、毒力因子的表达[10]等。目前，群体感应系统研究已经成为一个热点。国内外科研工作者已经证实了在很多细菌中均存在群体感应现象，并将其研究推向鱼类腐败等食品防腐领域。

1 群体感应的信号分子

Nealson[11]从海洋生态(自由生活的、腐生的、寄生的、共生的)中获得了不同的发光杆菌，并对它们进行了比较，发现不同发光杆菌的发光强度与它们产生的不同诱导因子有着密切的联系。经过多年的研究发现，不同种群的细菌产生的群体感应信号分子的结构多种多样[12]，因此科学家对于群体感应信号传递系统的分类有所差别。根据信号分子的不同，群体感应可以分为四类：AI-1、AI-2、AI-3 和 AIP[13]，也可以只归纳为两类：细菌种内的群体感应和细菌种间的群体感应[14]。

1.1 细菌种内的群体感应

1.1.1 AI-1

革兰氏阴性菌中发现的最常见的信号分子是N-酰基高丝氨酸内酯 (N-acyl-homoserine lactone，AHL，AI-1)[12]，它由一个不变的高度保守的内酯环和一个可变的酰基侧链组成[15]。所有以AHL为基础的群体感应系统的核心原理是LuxIR系统，LuxIR系统首先是在费氏弧菌中被发现的，它已经成为其他群体感应系统的基础[13，15]。

1.1.2 AIP

革兰氏阳性菌中发现的最常见的群体感应信号分子是寡肽(Autoinducing Peptides,AIP)，它首先是在金黄色葡萄球菌中被发现的[13]。葡萄球菌的agr位点编码群体感应系统根据一个经典的双组分模块来控制毒力因子和其他附属基因的表达和调控[16]。

1.2 细菌种间的群体感应

1.2.1 AI-2

很多自诱导物能够使细菌在种内进行交流，而现在又发现一类自诱导物AI-2，它是一种上下对称的双五圆环结构的呋喃硼酸二酯分子，已被认为是一种种间通用的信号分子(Furanosyl borate diester)[17-18]。具体地讲，AI-2是革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌中由LuxS酶引起的代谢转化的副产品，在很多病原菌中发现LuxS基因编码AI-2合成酶的合成[19]。

1.2.2 AI-3

AI-3代表另一种种间信号分子，在革兰氏阴性菌中存在，现今还没有在革兰氏阳性菌中被发现过[13]。经研究发现，AI-3是在出血性大肠杆菌(Enterohemorrh agic Escherichia coli,EHEC)中产生的，LuxS酶也参与AI-3的合成[20]，且LuxS突变体也能影响AI-3自诱导物的合成[21]。

2 群体感应对鱼类腐败的影响研究

2.1 鱼类腐败

鱼类死后，随着自溶作用加剧，某些微生物的生长和代谢作用加强，鱼体中的蛋白质、氨基酸及其他含氮物质被分解，使得鱼类本身pH值被改变，原有形态和色泽发生劣变，产生不良气味和异味，甚至产生有毒物质，在感官上不可接受，这一过程即为腐败[22-23]。鱼类腐败的内在因素是物理化学反应，鱼类本身固有的结构性能，特别是水活性、酸度、氧化还原的潜力、有效养分和天然抗菌物质；外在因素是鱼类贮藏的环境，尤其是温度、湿度和大气成分[24]。

2.2 鱼类特定腐败菌

20世纪90年代中期，Dalgaard提出了一个特定腐败菌的概念[25]。鱼体所含的微生物中只有部分菌株因适应环境而逐渐占据主导地位，产生具有腐败臭味或异味的代谢产物，这些菌株就是特定腐败菌(specific spoilage organisms,SSO)[26]。在贮藏过程中，特定腐败菌比其他微生物生长快，并且腐败活性强[24]。因此，国外对鱼类货架期的预测是在模型基质中对特定腐败菌的生长进行研究而得到的[27]。其中Dalgaard[27-28]研究过的生长动力学模型有：磷发光杆菌(Photobacterium phosporeum)和腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)。他是用不同浓度的CO2包装鳕鱼，从而得到磷发光杆菌是气调包装鳕鱼的特定腐败菌。郭全友等[29]研究表明，新鲜大黄鱼冷藏初期细菌菌相复杂、种类繁多，优势菌为肠杆菌科细菌(6.6%)、气单胞菌属(14.2%)、不动杆菌属(13.3%)、摩氏杆菌属(11.8%)，但冷藏过程中细菌菌相逐渐变得单一，腐败希瓦氏菌成为优势菌。

由此可见，不同的包装和贮藏条件对微生物的活动和生物化学参数是有一定影响的[24]。在不同情况下，鱼类的特定腐败菌是不同的，鲜鱼的SSO是弧科菌（Vibrionaceae）等发酵型革兰氏阴性细菌；在受污染的水中捕获的水产品的SSO是肠杆菌（Enterobacteriaceae）；冷藏中的 SSO 是假单胞菌（Pseudomonas）和希瓦氏菌（Shewanella）；真空或气调包装时的SSO是磷发光杆菌（Photobacterium phosphoreum）和乳酸菌类（Lacticacid bacteria），这对于所有鱼、贝类和甲壳类都是适用的，无论是温带水域、亚热带水域还是热带水域[22，30]。所以，对不同贮藏情况下不同鱼类特定腐败菌的了解，有利于我们采取恰当的措施，提高保鲜品质，延长鱼类的货架期。

2.3 群体感应对鱼类腐败的影响

如今已经有一些科研工作者对鱼类腐败菌进行了研究。Jesper等研究了革兰氏阴性鱼类致病菌的群体感应信号分子，并利用两种指示菌根癌土壤杆菌NT1和紫色色杆菌CV026对其进行检测，来判断AHLs信号分子的产生情况[31]；綦国红等[32]认为，假单胞菌是一种导致鱼类腐败的重要腐败菌，并利用AHLs检测菌对3株鱼源假单胞菌进行检测，通过AHLs降解菌株对所产生的AHLs信号分子进行降解，以此来干扰群体感应系统，这为鱼类的防腐保鲜提供了新策略。

在不同的贮藏条件下，大黄鱼的特定腐败菌有所不同，例如：戴志远等[33]研究了在(4±1)℃气调保鲜下的养殖大黄鱼的特定腐败菌为磷发光杆菌(Photobacterium phosphoreum)；郭全友等[34]研究了在冷藏条件下大黄鱼的特定腐败菌为腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)等。但是科学研究者对大黄鱼在不同贮藏条件下特定腐败菌和群体感应的关系研究的甚少，几乎没有提出有效的群体感应抑制剂来延长大黄鱼的货架期，这有待于进一步的研究。

3 研究展望

尽管群体感应系统在很多领域都有研究，特别是在医疗、制药和生物防御等方面已经取得了显著进展，但是在鱼类贮藏保鲜等食品科学研究中仍鲜见。研究发现，海藻、农作物、土壤等均存在部分细菌的群体感应抑制剂，可以利用这些物质的作用来防止鱼类腐败，延长货架期。鉴于此，如何提取天然的典型群体感应抑制剂，如何有效地利用群体感应抑制剂达到鱼类贮藏保鲜的目的，是迫切需要研究的问题。随着现代科学技术特别是分子生物学和各种组学的发展，群体感应必将对鱼类腐败变质的控制起到重要的作用。

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