温度与光照驱动淡水硅藻-壶菌系统的生理和转录响应：调控感染结局的气候变化机制

本文通过实验模拟气候变化下大湖区的温度（9.4–24°C）和光照（15–100 μmol m?2 s?1）条件，揭示了淡水硅藻Stephanodiscus binderanus及其专性壶菌寄生虫Zygophlyctis sp.的互作机制。研究发现宿主硅藻通过调节叶绿素a含量适应低光，而高温（>19.5°C）会抑制宿主减数分裂和寄生虫有丝分裂相关基因表达。气候变化导致的冬季无冰化（增温、混浊加剧）可能通过促进壶菌感染加速硅藻水华衰退，为湖泊浮游植物群落演替提供新视角。

　　

Abstract

Stephanodiscus binderanus作为劳伦森大湖区冬季至春季的水华形成硅藻，其动态受到气候变化下冰盖、浊度、光照和水温变化的显著影响。壶菌（Chytridiomycota）等真菌寄生虫可通过调控浮游植物生长影响水华演替。本研究通过设置温度梯度（9.4–24°C）和光照强度（15、30、50、100 μmol m^?2 s^?1），结合RNAseq分析，揭示了生物与非生物因子对宿主-寄生虫系统的协同作用。

Materials and methods

实验菌株从2020年伊利湖无冰冬季水体中分离，通过温度梯度培养系统模拟环境条件。利用FlowCam量化感染率，并通过转录组学（RNAseq）分析宿主和寄生虫的基因表达差异。数据分析采用RSEM、Trinity等工具，差异表达基因通过GO富集分析验证。

Physiological effect of light and temperature on Stephanodiscus binderanus

硅藻在17–20°C和60–80 μmol m^?2 s^?1光照下生长速率最高，低温（<10°C）与低光（<40 μmol m^?2 s^?1）显著抑制生长。叶绿素a（Chl a）荧光与细胞计数相关性分析表明，硅藻通过调节色素含量适应低光环境，高光下单位细胞Chl a含量降低。

Physiological effect of light and temperature on infections by Zygophlyctis sp.

壶菌感染在温度两端（<12°C与>20°C）最为显著，尤其在低光条件下（<60 μmol m^?2 s^?1）宿主生物量抑制最强。感染率在培养第9天超过75%，高温虽下调寄生虫有丝分裂基因，但未降低感染流行度。FlowCam显示感染菌丝生物量降低且表面粗糙度增加。

RNA-seq using Zygophlyctis sp. KS116 genome

寄生虫基因组注释完整度81.8%，高光上调核糖体与蛋白酶体相关基因，高温下调细胞骨架和染色体浓缩通路。表明光照增强寄生虫代谢活性，而高温抑制其分裂周期。

RNA-seq using Stephanodiscus binderanus de novo transcriptome

宿主转录组中高温（19.5–24°C）下调纤毛组装与减数分裂II相关基因，暗示生殖压力。感染状态下506个基因差异表达，上调基因富集于跨膜运输和脂质糖基化通路，可能涉及宿主防御响应。

Discussion

研究表明S. binderanus具备广温广光适应性，但气候变化驱动的增温与浊度升高可能通过壶菌感染加速其种群衰退。高温对宿主生殖基因的抑制与寄生虫感染压力的叠加效应，或共同促使伊利湖硅藻水华在春末让位于蓝藻。本研究为气候变暖下宿主-寄生虫互作提供了生理与分子层面的机制解释。