底栖有孔虫的代谢适应性：通过代谢研究方法评估有孔虫物种对潮间带泥滩环境的适应能力

《Journal of Eukaryotic Microbiology》：Metabolic Adaptations of Benthic Forams: Foraminiferal Species Adaptations to Intertidal Mudflat Assessed by a Metabolic Approach

潮间带浮游生物（Ammonia confertitesta、Haynesina germanica、Elphidium oceanense）代谢组学分析显示，三种物种在代谢适应机制上存在显著差异。通过非靶向气相色谱-质谱联用技术优化，构建了包含382个代谢特征的专有数据库，发现物种特异性代谢物：Ammonia confertitesta富集肌醇、天冬酰胺和谷氨酸；Haynesina germanica积累甘油酸、苹果酸和甘油酸/甘油氧化物，提示其可能存在C4光合途径和光呼吸代谢；Elphidium oceanense代谢多样性较低。共同代谢物如渗透保护物质和抗氧化分子（如丙二酸、精氨酸/鸟氨酸/赖氨酸）的普遍存在，表明潮间带浮游生物通过代谢适应应对温度、盐度、氧化应激等极端环境压力。研究首次揭示浮游生物通过代谢多样性实现生态成功的机制，并建立了标准化样本采集和代谢组学分析流程。

　　对于生活在潮间带环境中的原生生物，它们在应对快速变化和极端环境条件时表现出极强的适应能力。然而，关于这些生物细胞和代谢适应性的具体机制仍存在许多未知之处。本研究聚焦于潮间带泥滩中三种优势物种：*Haynesina germanica*（具有捕食叶绿体的混合营养型）、*Elphidium oceanense* 以及 *Ammonia confertitesta*（异养型），探讨其代谢特征并揭示它们在面对环境挑战时可能采用的适应策略。由于培养这些原生生物存在诸多挑战，研究采用了直接从野外采集样本的方法，并结合非靶向气相色谱-质谱分析（GC–MS）技术，以减少所需样本量并提高检测效率。研究构建了一个针对这些原生生物的专用代谢物库，共包含382个特征，其中30种代谢物被明确识别。这些共同存在于三种物种中的代谢物包括渗透调节物质、抗氧化物质和热保护分子，表明它们具有对环境变化的高耐受性。同时，研究也发现了物种特异性的代谢特征，例如 *A. confertitesta* 积累肌醇、天冬酰胺和天冬氨酸，而 *H. germanica* 则积累苹果酸、甘油酸和甘油醛/甘油酸，这可能意味着其同时激活了类似C4植物的碳浓缩机制和光呼吸代谢。

在研究过程中，研究人员从法国洛里昂湾的潮间带泥滩中采集了样本，采用特定方法提取代谢物，并通过一系列数据处理和统计分析手段对三种物种的代谢差异进行比较。实验结果显示，不同样本量对代谢物的检测覆盖度有显著影响。例如，对于 *A. confertitesta*，600个细胞样本能检测到320个特征，而200个细胞样本仅能检测到91个特征。对于 *H. germanica*，300个细胞样本检测到99个特征，200个细胞样本则检测到82.5个特征。尽管样本量的减少能节省时间，但检测到的代谢物数量并未线性减少，表明在较小样本中仍能捕捉到重要的代谢特征。此外，研究还发现，在不同季节采集的样本中，*A. confertitesta* 和 *H. germanica* 的代谢物组成存在显著差异，而 *E. oceanense* 由于季节性采样差异，其代谢物分布更加均匀，且没有单一主导代谢物。

为了进一步探索这些代谢差异的生物学意义，研究通过主成分分析（PCA）和热图（heatmap）等方法，对三种物种的代谢物进行了可视化和统计分析。结果显示，*A. confertitesta* 的代谢物特征在不同季节之间保持高度一致，而 *H. germanica* 的代谢物特征则显示出对环境条件变化的强烈响应。例如，在冬季采集的样本中，*H. germanica* 与 *A. confertitesta* 相比，显示出更高的甘油醛/甘油酸、甘油酸和苹果酸积累。这些分子的积累可能与光呼吸作用及类似C4植物的碳浓缩机制有关，这在其他原生生物中尚未被描述过。

此外，研究还揭示了 *A. confertitesta* 中一些特定的代谢物，如肌醇、天冬酰胺和天冬氨酸，这些分子可能在应对环境变化时起到重要作用。肌醇作为渗透保护剂，在许多原生生物和硅藻细胞中都具有重要的保护作用，能够帮助细胞维持稳定的渗透压并减少氧化损伤。天冬酰胺和天冬氨酸则可能在氮和碳的代谢中发挥关键作用，帮助 *A. confertitesta* 在不同环境条件下进行有效的营养物质储存和运输。

在 *H. germanica* 的代谢物中，除了常见的渗透调节物质外，还发现了甘油酸、苹果酸和甘油醛/甘油酸的积累，这些分子的积累可能反映了其独特的代谢特征。例如，甘油酸的积累可能与碳固定的第一步有关，而苹果酸的积累则可能与类似C4植物的碳浓缩机制相关。甘油醛/甘油酸的积累则可能与过氧化物酶体中的甘油酸循环有关，表明 *H. germanica* 可能具有光呼吸作用。这种光呼吸作用虽然在硅藻中已有报道，但在原生生物中尚属首次发现，可能是其应对光合作用带来的氧化压力的一种机制。

研究还发现，某些代谢物在不同物种中的积累存在显著差异。例如，甘油醛/甘油酸在 *H. germanica* 中的积累明显高于其他物种，这可能与其独特的混合营养型（即利用捕食的叶绿体进行光合作用）相关。此外，某些代谢物如谷氨酸和精氨酸/瓜氨酸/鸟氨酸的积累可能与氮的代谢和储存有关，这些分子在低氧或高光条件下可能具有特殊的生理意义。然而，这些代谢物的具体功能仍需进一步实验验证，例如通过研究相关基因的表达或代谢物的合成路径。

本研究的成果不仅有助于理解潮间带原生生物的代谢适应机制，也为未来研究提供了新的视角。通过揭示这些物种在面对环境变化时可能采用的代谢策略，可以更好地理解它们在生态系统中的角色和生存优势。此外，研究还强调了非靶向代谢组学方法在原生生物研究中的重要性，这种方法能够在不依赖实验室培养的情况下，直接从自然环境中提取和分析代谢物，从而更真实地反映其生理状态。

值得注意的是，本研究的局限性在于采样季节的差异，这可能导致部分代谢物的差异归因于季节性变化而非物种特异性。因此，未来的研究应考虑在同一季节内对不同物种进行采样，以更准确地比较其代谢特征。此外，对于 *E. oceanense*，由于其在夏季采样，其代谢物组成可能与冬季采样的 *A. confertitesta* 和 *H. germanica* 存在显著差异，这可能与其生态位的稳定性有关。*E. oceanense* 更可能出现在受海洋影响的河口区域，这些区域的环境条件相对稳定，因此其代谢物多样性较低。

综上所述，本研究揭示了潮间带原生生物在代谢上的多样性和适应性，特别是在应对极端环境条件时的策略。通过分析其代谢物的组成和分布，研究不仅提供了关于这些生物生理特性的新见解，还为未来研究提供了方法和技术上的支持。研究结果表明，潮间带原生生物的代谢适应性可能与其独特的生态位和生存策略密切相关，而这些适应性特征在不同的物种间存在显著差异。因此，进一步的研究应结合多种方法，如基因组学、转录组学和代谢组学，以全面揭示这些生物的代谢机制和生态功能。