发光细菌及其发光机理

一、发光细菌及其发光机理

生物发光分为萤火虫发光、水母发光和细菌发光。发光细菌是丰度最高、分布最广的发光生物。陆地、淡水、咸水和海洋中都有分布。发光细菌普遍存在于海洋环境及海洋生物体上。自然界中的发光细菌除少数如发光异短杆菌(Xenorhabdus luminhescens X.1)是陆生细菌外(在线虫体内共生，该种亦曾报道从病人的伤口中分离培养出)，其余的发光细菌均为海洋细菌。在咸水中，发光细菌也有分布，在青海湖的裸鲤(Gymnocypris prezewalskii)体表就曾发现有发光细菌。

发光细菌在海洋中的分布非常广泛，自浅海至深海，几乎所有的海洋环境中都可发现它们的踪迹，它们主要以共生、腐生、寄生和自由生活方式在海洋环境中存在，但因在海水中发光细菌密度不高，所以其荧光不易被人们察觉。

发光细菌最常见的存在方式是和一些海洋鱼类和头足类动物高度特异性地联合共生。海洋动物发光的现象非常普遍。约三分之二的深海鱼类和许多种乌贼(属头足类Myepsida亚目)都有共生发光细菌，并能充分利用发光现象。

发光细菌一般是革兰氏阴性的兼性厌氧菌，无芽孢和荚膜，有端生鞭毛一根或数根，最适温度20～30℃，pH6～9。目前已知的海洋发光菌至少有三属:是弧菌属(Vibrio)、光发杆菌属(Photobacterium)及Shewanella，陆地上则有异短杆菌属(Xenorhabdus)。常见的发光细菌见表6-4。发光杆菌属(Photobacterium)的种类为细杆状，以磷发光杆菌(Photobacteriumphosphoreum)为代表，该种细菌常与深海鱼类如小龙氏鱼(Rondeletia)共生，呈现蓝绿色磷光。

表6-4　　　　　　　　　　常见的发光细菌

发光细菌在有氧的自然环境下可产生荧光酶，将还原态的黄素单核苷酸(FMNH₂)和长链脂肪醛类(如十二烷醛)氧化为长链脂肪酸，同时释放出其最大发光强度在450～490nm处的蓝绿色荧光:

与发光系统有关的基因称为lux基因，目前已发现的lux基因有21个。将lux基因导入细菌体内会引起发光现象，在很少细菌细胞存在时就可检测到。在用病毒载体导入仅1小时后，Salmonella的几个细胞就可检测出来。在操纵子中luxI基因编码合成自我诱导物(autoinducer)(可诱导发光反应)的酶，自我诱导物透过细胞膜，并当细胞密度升高至足够浓度时，其在细胞内聚集，然后与一个激活体蛋白结合，启动lux发光系统的表达。激活体蛋白是luxR基因的产物。自我诱导物在不同发光细菌间不能相互诱导。

发光细菌在低密度的菌液中，每个细胞的发光亮度都很低，但当细胞继续分裂繁殖达到较高密度时，其分泌的小分子“自我诱导物”也逐渐累积而提高浓度，于是可加强细菌发光基因的表达，使每个细胞的发光亮度均大幅增加。因此，在细胞密度提高与单位发光亮度增加的双重效应之下，发光细菌的生物萤光强度会大大增加。由于这个原因，共生在海洋动物发光器中的发光细菌亮度较高，而散布在海水中的发光细菌不仅细胞浓度较低，且每个细菌细胞的亮度也低，肉眼难以察觉。

一般情况下，发光细菌能连续发光，然而由于发光会受到抑制或其他条件的影响，发出来的往往是闪光而非连续的光。

发光细菌的发光反应对外界刺激十分敏感。发光细菌的发光过程极易受到外界条件的影响。凡是干扰或损害细菌生理过程的任何因素都能使细菌的发光强度发生变化。当有毒有害物质与发光细菌接触时，发光强度立即改变，并随着毒物浓度的增加而发光减弱。因此，发光细菌的发光反应可以用作简易的环境测试指标。发光菌检测法由于灵敏度高，目前已用于微毒检测。该法是以一种非致病的明亮发光杆菌作指示物，以其发光强度的变化为指标，测定环境中有害有毒物质的生物毒性。