关于硅饥饿条件下Skeletonema dohrnii细胞周期停滞和代谢适应的转录组学研究

《Alcohol》：Transcriptomic insights into cell-cycle arrest and metabolic adaptation of Skeletonema dohrnii under silicon starvation

硅饥饿导致骨骼硅藻（ Skeletonema dohrnii ）细胞周期G?+M阶段积累，转录组分析揭示其通过硅转运蛋白（SIT）、硅壳重塑、细胞骨架及检查点调控的协同网络适应胁迫。代谢重编程增强碳水化合物和脂肪酸合成，抑制三羧酸循环，并优化氮和一碳代谢，促进高价值化合物如多不饱和脂肪酸、聚酚和硫酸多糖的积累。

　　

上晓梅|李学汉|孙俊

中国天津市天津科技大学印度洋生态系统研究中心，300457

摘要

硅藻的生长和壳体形成依赖于环境中的硅酸盐。当硅缺乏时，细胞分裂会受到干扰，细胞周期会停滞以作为生存策略。本研究探讨了在硅缺乏条件下Skeletonema dohrnii的表现，发现该物种在G??+?M期细胞显著积累。转录组分析揭示了一个协调的调控网络，该网络将硅代谢、壳体重塑、细胞骨架组织以及细胞周期检查点控制联系起来。硅转运蛋白（SIT）、frustulin、cingulin和细胞骨架相关基因的表达上调，同时WEE1和Cyclin B的表达也增加，表明激活了一个SIT–壳体–细胞骨架–细胞周期检查点轴，该轴将不完整的壳体形成与G??+?M期细胞周期停滞联系起来。与此同时，碳代谢发生了重组：糖酵解和碳固定过程增强以维持能量供应，而TCA循环和甘油酸循环被抑制以节省能量。脂质代谢转向脂肪酸生物合成和β-氧化，促进了多不饱和脂肪酸（PUFAs）和其他生物活性脂质的积累。激活的一碳代谢为抗氧化多酚提供了甲基供体，氮代谢途径也得到了优化以实现高效利用。这些发现突显了S. dohrnii在硅缺乏条件下对碳、脂质、氮和硅代谢的协调调控，揭示了其适应环境变化以及提高高价值化合物（如PUFAs、多酚和硫酸化多糖）生物合成的分子机制。

引言

硅藻是光合真核微藻，其特征是具有硅质（SiO₂·nH₂O）细胞壁[1]。它们具有广盐性（0.5?‰–37?‰）和广温性（4–25?°C）特性，能够适应从淡水到海洋的各种环境[2,3]。硅藻对全球碳循环和生物地球化学过程至关重要，贡献了约20%的全球初级生产力以及超过40%的海洋初级生产力[4,5]。基因组研究表明，硅藻通过多次水平基因转移从绿藻、红藻和细菌中获得了相关基因，从而发展出了独特的代谢途径（如尿素循环），这使其能够在复杂环境中生存[6,7]。这些生态和生理特性使硅藻成为研究其对海洋环境变化响应的理想模型。

硅藻的生长和繁殖依赖于环境中的硅酸盐（Si(OH)₄），后者对于合成其硅质细胞壁至关重要[8]。除了结构作用外，硅还影响光合色素的合成、细胞分裂、代谢调控和细胞周期控制[9]。然而，海洋硅循环的波动常常导致表层水中的硅含量降低（<2?μM），从而形成硅缺乏区域[10]。硅缺乏会抑制硅藻生长，影响壳体形成，导致细胞壁变薄或畸形，从而减弱其机械强度和浮力[8,11]。同时，它还会改变生化组成，促进脂质和碳水化合物的积累，同时抑制蛋白质合成[12,13]。为了生存，硅藻会通过调节细胞周期进入休眠状态，重新编程代谢途径以应对压力，并在恢复后快速动员营养物质[9,14]。尽管关于硅缺乏的生理影响已有大量研究，但细胞周期停滞阶段及其代谢途径的变化仍需进一步探索。

海洋硅藻Skeletonema dohrnii是一种广泛分布于湖泊、河口和沿海水域的物种，也是重要的有害藻类暴发形成者[15]。在沿海生态系统中，溶解硅酸盐浓度经常波动，而S. dohrnii的生态可塑性使其能够在这种动态条件下保持竞争优势。这种适应性使其区别于传统的模式硅藻，使其成为研究硅缺乏响应的理想生态系统。然而，其适应硅限制的分子机制仍大部分未被探索。

在这项研究中，我们进行了转录组测序，比较了S. dohrnii在硅充足和硅缺乏条件下的分子响应，其中硅缺乏引发了明显的细胞周期停滞。分析重点关注与硅、碳、脂质和氮代谢相关的途径的转录重编程，旨在阐明这种形成藻华的物种如何在细胞周期停滞期间重新分配代谢资源以应对环境压力。我们的发现补充并扩展了之前关于模式硅藻的研究成果，为理解硅藻应激响应机制提供了新的视角，这对生态模型中的碳-硅耦合以及利用形成藻华的硅藻进行生物技术应用具有意义。

材料与仪器

S. dohrnii菌株来自山东省青岛市的海域，由天津科技大学海洋与环境科学学院保存。培养条件为25?°C，光照强度为90?μmol photons·m^?2·s^?1，光照周期为12?h:12?h。对照组在添加了硅（Na₂SiO₃·9H₂O，最终浓度100?μM）的标准人工海水（ASW）培养基中培养。

硅缺乏条件下Skeletonema dohrnii的细胞周期停滞

为了研究硅缺乏对Skeletonema dohrnii细胞周期的影响，我们使用流式细胞术和PI染色来测量细胞DNA含量。经过RNase处理后，PI荧光强度与DNA含量直接相关，MultiCycle软件用于确定细胞在各个细胞周期阶段的分布。在硅充足条件下培养24小时的对照组中，细胞在各个细胞周期阶段的分布更为均匀。

细胞周期停滞期间碳和硅代谢途径的协调调控

在硅藻中，硅酸的吸收和壳体生物合成通常发生在G?–M期的后期，此时新的硅质壳体在细胞分裂前形成。硅缺乏会中断壳体形成，导致细胞周期在G??+?M检查点处停滞，而不是被动生长抑制[17]。本研究关注的是24小时的时间点，此时硅藻细胞通常在硅缺乏条件下处于G??+?M停滞状态[17,18]。这种设计能够捕捉到这一关键过程。

结论

本研究表明，硅缺乏会促使Skeletonema dohrnii进入G??+?M停滞，并引发协调的代谢重编程，将壳体重塑、细胞骨架稳定化和细胞周期检查点控制与碳、脂质和氮代谢联系起来。这些调整不仅确保了硅缺乏条件下的生存，还为高价值化合物（如EPA、DHA、硫酸化多糖、GABA和多酚）的积累创造了有利条件。

CRediT作者贡献声明

上晓梅：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析、概念构建。李学汉：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、实验研究、数据分析、概念构建。孙俊：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据管理、概念构建。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42206087）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。