异源表达小球藻硒半胱氨酸裂解酶（ApScl）增强莱茵衣藻硒耐受性及纳米硒生物合成机制研究

本研究针对水生环境中高浓度硒毒性及纳米硒（SeNPs）生物合成机制不明确的问题，通过鉴定蛋白核小球藻（Auxenochlorella pyrenoidosa）的硒半胱氨酸裂解酶基因ApScl，在拟南芥和莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中异源表达，发现该基因可显著增强宿主硒耐受性并促进SeNPs合成。转录组分析揭示ApScl通过调控氧化还原过程通路影响细胞抗氧化能力，为微藻硒解毒机制和纳米硒生物合成提供了新见解，对开发高效硒生物转化技术具有重要意义。

　　

硒是人体必需的微量元素，但高浓度硒对生物体具有毒性，尤其在水生环境中硒含量较高，促使藻类进化出有效的解毒机制。纳米硒（SeNPs）因其高生物利用度和低毒性，在生物医学领域展现出广阔应用前景，但其生物合成机制尚不明确。传统物理化学合成方法存在高成本、高毒性等局限性，而微生物合成SeNPs具有环境友好、成本低廉的优势。微藻作为硒生物转化的重要载体，其硒代谢途径及关键酶功能亟待解析。

本研究发表于《Algal Research》，通过比较蛋白核小球藻（Auxenochlorella pyrenoidosa）、莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）、小球藻（Chlorella sorokiniana）和纤细裸藻（Euglena gracilis）的SeNPs合成能力，发现蛋白核小球藻XL12株具有最高合成效率。研究人员从其基因组中鉴定出含保守序列RXGHHCA的硒半胱氨酸裂解酶基因ApScl（属于II型半胱氨酸脱硫酶家族），并通过异源表达、表型分析、转录组测序和代谢检测等技术手段展开功能研究。

主要技术方法包括：1）通过基因克隆和载体构建在莱茵衣藻和拟南芥中异源表达ApScl基因；2）利用钠亚硒酸盐处理评估转化体的硒耐受性和SeNPs合成能力；3）采用透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）鉴定SeNPs；4）通过RNA测序和qRT-PCR分析差异表达基因；5）使用酶标法检测丙氨酸含量。

3.1 不同藻类SeNPs生物合成能力比较

通过200 mg/L钠亚硒酸盐处理9天后，蛋白核小球藻XL12培养液呈现最深红色，电镜观察显示细胞内存在直径200±20 nm的球形硒纳米颗粒，EDX光谱证实硒特征吸收峰（1.47 keV），表明其具有最强SeNPs合成能力。

3.2 蛋白核小球藻硒半胱氨酸裂解酶基因特征

ApScl蛋白含保守的II型半胱氨酸脱硫酶 motif（RSGHLCT₃₂₆），结构预测显示其以同源二聚体形式存在，催化位点Cys₃₂₆位于C端结构域的α螺旋裂隙中。

3.3 ApScl过表达增强拟南芥钠亚硒酸盐耐受性

转基因拟南芥在6.25 μM和12.5 μM钠亚硒酸盐处理下，根长和鲜重显著高于野生型，表明ApScl提高了植物硒耐受性。

3.4 ApScl过表达增强莱茵衣藻硒耐受性与SeNPs生物合成

转基因莱茵衣藻在10 mg/L钠亚硒酸盐处理下生长不受影响，而野生型生长受抑制。200 mg/L处理下转基因藻株呈现更显著红色SeNPs表型，电镜和EDX证实细胞内SeNPs形成。qRT-PCR显示硒蛋白基因GPx1在高硒条件下表达上调。

3.5 ApScl过表达莱茵衣藻的转录组分析

共鉴定891个差异表达基因（362个上调，529个下调）。GO富集分析显示"氧化还原过程"相关基因显著下调（43个下调，6个上调），包括脯氨酰4-羟化酶（P4H）和谷胱甘肽S-转移酶（GST）基因。KEGG分析表明DNA复制、嘧啶代谢通路上调，而光合作用-天线蛋白代谢通路下调。

3.6 ApScl参与调控莱茵衣藻细胞内氧化还原过程

丙氨酸含量检测显示转基因藻株丙氨酸产量显著增加，证实ApScl催化半胱氨酸/硒半胱氨酸分解功能。转录组数据表明抗氧化相关基因（如P4H、GST）下调，说明ApScl过表达削弱了细胞抗氧化防御能力。

研究结论表明，ApScl通过催化硒半胱氨酸分解为丙氨酸和元素硒，增强宿主硒耐受性并促进SeNPs生物合成。转录组分析揭示该过程影响氧化还原相关基因表达，降低细胞抗氧化能力。该研究不仅阐明了微藻硒解毒机制的关键分子基础，还为开发高效纳米硒生物合成技术提供了新策略，在环境硒修复和功能性硒产品开发领域具有重要应用价值。