坛紫菜壳斑藻丝状体对短期与长期海洋酸化的负响应及驯化机制研究

《BMC Plant Biology》：The negative responses and acclimation mechanisms of Neopyropia yezoensis conchocelis filaments to short- and long-term ocean acidification

本研究针对海洋酸化(OA)对经济海藻坛紫菜(Neopyropia yezoensis)关键生活史阶段——壳斑藻丝状体的影响机制不明的问题，通过整合生理生化、代谢组与转录组分析，揭示了短期(5天)OA通过抑制光合作用与能量代谢快速抑制生长，而长期(20天)OA则触发代谢重编程，表现为可溶性糖积累、脂肪酸β-氧化供能及ABC转运蛋白介导的H+外排等驯化策略，为解析潮间带大型藻类应对未来气候变化的适应机制及耐酸品种选育提供了重要理论依据。

　　

随着工业革命以来大气CO₂浓度持续攀升，海洋吸收了约30%的过量CO₂，引发海水碳酸盐化学体系改变，导致海洋酸化(Ocean Acidification, OA)现象日益加剧。这种变化直接威胁依赖稳定碳化学环境的海洋初级生产者，尤其对栖息于pH波动剧烈潮间带的大型经济海藻构成严峻挑战。坛紫菜(Neopyropia yezoensis)作为我国重要经济海藻，具有独特的二相生活史：叶状体(单倍体)附着于潮间带岩石，而丝状体(二倍体壳斑藻阶段)通常钻生于贝壳等钙质基质中。以往研究多聚焦叶状体对OA的响应，而对壳斑藻丝状体这一关键生活史阶段的认识仍存在空白。鉴于两者在形态、生理代谢及胁迫耐受性上存在显著差异，解析壳斑藻丝状体对OA的响应机制对于准确预测未来潮间带群落结构演变及指导紫菜养殖业可持续发展至关重要。

本研究发表于《BMC Plant Biology》，旨在通过比较短期(5天)与长期(20天)OA胁迫下坛紫菜壳斑藻丝状体的生理生化、代谢组与转录组变化，系统揭示其响应与驯化机制。研究人员采用CO₂培养箱模拟OA条件(2000 ppm CO₂，pH 7.49-7.55)，以400 ppm CO₂(pH 8.13-8.19)为对照，测定相对生长率、光合参数、色素含量、细胞元素组成、营养物质含量及Rubisco活性等生理指标；利用液相色谱-质谱联用(LC-MS)进行非靶向代谢组学分析；通过Illumina Novaseq6000平台进行转录组测序，并采用加权基因共表达网络分析(WGCNA)整合多组学数据，挖掘关键调控网络。

短期OA抑制壳斑藻丝状体光合作用与能量代谢

研究结果显示，短期OA迅速抑制了壳斑藻丝状体的生长，相对生长率降至对照的72.7%。光合系统II(PSII)的最大量子产量(F_v/F_m)和实际量子产量(Y(II))分别下降12.6%和23.5%，叶绿素a和类胡萝卜素含量显著降低。细胞碳、氮含量及Rubisco活性均未因CO₂浓度升高而提升，反而碳含量下降6.6%，氮含量下降17.4%，碳氮比升高17.5%。转录组分析发现，与光合作用(如光系统II组分PsbM、PsbO、PsbP及电子传递链组分PetC、PetH)、卡尔文循环(如磷酸甘油酸激酶PGK、磷酸核酮糖激酶PRK)及碳水化合物代谢相关的基因普遍下调，表明光合碳同化和能量代谢受到显著抑制。

长期OA触发碳分配由生长向胁迫防护转移

长期OA下，壳斑藻丝状体的生长抑制加剧，相对生长率进一步降至对照的64.0%，光合色素与氮含量持续下降。然而，F_v/F_m与Y(II)的抑制程度与短期OA相近，提示机体可能启动了驯化响应。代谢组学分析发现，长期OA诱导了显著的代谢重编程：可溶性糖(如海藻糖、水苏糖、麦芽糖等)含量显著积累，作为渗透调节剂应对低pH胁迫；而氨基酸(如谷氨酰胺、丙氨酸、组氨酸)含量下降，反映了氮同化受限。三羧酸循环(TCA cycle)中间产物(柠檬酸、异柠檬酸、顺乌头酸、富马酸)积累，多不饱和脂肪酸(如DHA、EPA)含量降低，表明碳流优先导向渗透保护及能量代谢，而非生长相关的蛋白质与膜脂合成。

WGCNA揭示基因与代谢物调控网络

WGCNA基于转录组数据构建了基因共表达模块，并关联关键代谢物表型。MEbrown模块(5954个基因)与脂肪酸、氨基酸呈正相关，与可溶性糖、有机酸负相关，其枢纽基因富集于光合作用、碳水化合物代谢、抗氧化代谢及脂肪酸降解途径，下调表达反映了光合同化受损及能量赤字。为补偿能量不足，脂肪酸β-氧化相关基因(如ACX3、MFP)上调，通过脂质动员供能，但可能加剧活性氧(ROS)产生，进而触发抗坏血酸合成基因(UGD1、LGALDH)上调以清除ROS。MEblue模块(1413个基因)则呈现相反相关模式，其枢纽基因富集于氨基酸生物合成、脂代谢、能量代谢及次级代谢途径，下调表达反映了氮同化限制；而ABC转运蛋白基因(Abcd3、ABCB4、ABCG14)上调，可能介导H⁺外排以缓解酸胁迫。两模块的拮抗调控揭示了长期OA下壳斑藻丝状体通过牺牲生长优先保障胁迫耐受的生存策略。

本研究通过多组学整合分析，揭示了坛紫菜壳斑藻丝状体对OA的响应存在时间依赖性：短期OA主要通过抑制光合作用及能量代谢快速抑制生长；长期OA则触发代谢重编程，表现为碳资源由生长向胁迫防护再分配，具体机制包括可溶性糖积累提供渗透保护、脂肪酸β-氧化补偿能量赤字、ABC转运蛋白介导的H⁺外排维持离子稳态。这一以生长为代价换取胁迫耐受的驯化策略，凸显了OA条件下生理权衡的普遍性。研究结果不仅为理解潮间带大型藻类关键生活史阶段应对未来海洋变化的适应机制提供了新视角，也为紫菜耐酸品种选育及养殖技术创新奠定了理论基础。然而，实验室控制环境与复杂自然生态系统间存在差异，未来需结合多胁迫因子、自然基质及中宇宙实验进一步验证上述机制的实际生态意义。