多组学解析斜生栅藻UTEX393盐胁迫响应机制：从基因组调控到脂质代谢重编程

《Communications Biology》：A multi-omic characterization of the physiological responses to salt stress in Scenedesmus obliquus UTEX393

为破解淡水微藻斜生栅藻（Scenedesmus obliquus UTEX393）的耐盐性瓶颈，研究团队通过整合基因组、转录组、蛋白质组、脂质组、代谢组及DAP-seq技术，系统揭示了15 ppt盐胁迫下其光合作用抑制、氧化还原失衡及三酰甘油（TAG）积累的分子机制。研究发现LHY1和SPL12等转录因子通过调控GAPDH、MDH等关键酶介导脂质合成“溢出效应”，为藻类抗逆育种提供了新靶点。

　　

随着全球对可持续生物制造需求的增长，微藻因其高效光合能力和油脂积累潜力成为生产生物燃料和高价值化学品的理想底盘生物。然而，大多数淡水藻株在咸水环境中生长受限，制约了其在大规模培养中的应用。斜生栅藻（Scenedesmus obliquus UTEX393）作为一种高产淡水绿藻，在5 ppt盐度下生长最佳，但盐度升至15 ppt时生物量下降35%，在35 ppt（接近海水盐度）时生长完全抑制。这一局限性迫使研究者深入探索其耐盐性机制，以期通过遗传改良拓展其生存环境。

为解析UTEX393的盐胁迫响应网络，研究团队首先完成了其核基因组的升级组装，获得107.54 Mbp的基因组（含19,017个基因模型），BUSCO完整性达97%。基于此，研究者构建了基因组尺度代谢模型，并利用环境模拟光生物反应器（LEAPS）模拟亚利桑那州梅萨地区夏季条件，对比5 ppt（对照）与15 ppt盐度下藻类的生长与分子响应。通过时序采样（0–38小时），结合转录组、蛋白质组、脂质组、代谢组及DAP-seq技术，系统刻画了盐胁迫下的动态变化。

关键技术方法

研究采用多组学整合策略：利用Illumina和PacBio测序完成基因组升级；通过RNA-seq和TMT标记质谱分析转录组与蛋白质组；基于LC-MS/MS进行脂质组和极性代谢物检测；应用DAP-seq鉴定转录因子结合位点；借助代谢模型（COBRApy）模拟通量变化。样本来源于UTEX393在可控光生物反应器中的三组重复培养。

研究结果

1. 基因组比较揭示氨基酸利用差异

通过正交同源矩阵（OMA）分析发现，耐盐菌株NREL 46B-D3的蛋白序列中甘氨酸、组氨酸和精氨酸比例显著高于UTEX393，而丝氨酸含量降低，提示氨基酸组成调整可能是耐盐适应性策略之一。

2. 盐胁迫引发光合作用与能量代谢重编程

转录组与蛋白质组数据显示，盐胁迫下光合系统II修复蛋白（如1809586）、放氧增强蛋白（1818388）等关键组分表达下调，而扩张蛋白（expansin）、黄素氧还蛋白（flavodoxin）等应激相关基因上调。脂质组分析表明，单半乳糖甘油二酯（MGDG）和双半乳糖甘油二酯（DGDG）含量下降，而三酰甘油（TAG）尤其是饱和TAG显著积累，同时极性代谢物（如甘油酸、2-磷酸甘油酸）库容减少，反映碳流向储能脂质转移。

3. 转录因子调控网络驱动代谢重构

DAP-seq鉴定出关键转录因子（如Myb-like TF 1730603和SBP家族TF 287871），其结合 motif 与拟南芥LHY1和SPL12相似。这些TF靶向线粒体苹果酸脱氢酶（MDH）、叶绿体甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）等氧化还原平衡相关酶，表明盐胁迫通过转录重编程协调能量代谢。

4. 代谢模型揭示“溢出效应”机制

整合多组学数据构建的代谢网络表明，盐胁迫导致光合电子传递链受阻，过剩还原力通过TAG合成消耗，支持“溢出假说”。此外，支链氨基酸（BCAA）合成关键酶BCKDH上调，但其代谢物水平下降，提示BCAA被用于TAG合成前体。

结论与意义

本研究通过多组学整合揭示了UTEX393盐胁迫下光合抑制-氧化还原失衡-脂质积累的连锁反应，并鉴定出LHY1、SPL12等转录因子作为潜在耐盐工程靶点。尽管盐胁迫诱导了TAG积累，但藻株未能恢复生长，说明其耐盐适应性存在局限。该研究为藻类抗逆育种提供了系统生物学框架，并为利用咸水资源实现可持续微藻培养奠定了理论基础。论文发表于《Communications Biology》，所有数据均公开于PhycoCosm等平台。