磷富集对琼枝藻生长的抑制作用机制及其在热带寡营养海区的栽培适应性研究

本研究针对热带寡营养海区重要经济藻类琼枝藻（Betaphycus gelatinus）的栽培瓶颈问题，通过正交实验（L9 (34 )）、冗余分析（RDA）和转录组技术，首次揭示PO4 3? 浓度>6.57 μmol·L?1 会通过抑制氮转运基因（NRT2/AMT1）和泛素-蛋白酶体通路显著抑制藻体生长，提出该物种为低磷适应性藻类，为热带海区藻类栽培提供了关键阈值参数。

　　

在热带和亚热带海洋生态系统中，琼枝藻（Betaphycus gelatinus）作为卡拉胶生产的重要原料，兼具生态价值与经济价值。然而，这种原生于海南岛和西沙礁岩生态系统的红藻，却面临人工栽培扩展困难、实验室育苗成功率低等瓶颈问题。究其原因，与其对营养盐的响应机制不明密切相关。尤其在以氮磷限制为特征的寡营养海区，如何平衡营养盐供给成为规模化栽培的关键科学问题。

为此，研究人员以采自海南昌江的野生琼枝藻为研究对象，通过系统的营养盐调控实验结合多组学分析，揭示了磷富集对该藻生长的特殊抑制作用机制。研究首先采用三组正交实验（L₉
(3⁴
)），分别测试昌江、海口和西沙三种海域海水中不同营养盐组合的影响。冗余分析（RDA）锁定磷酸盐（PO₄
^3?
）为关键抑制因子，而硝酸盐（NO₃
^?
）、亚铁离子（Fe²⁺
）等元素影响不显著。单因素实验进一步量化了毒性阈值：昌江海水中PO₄
^3?
添加量达10.95 μmol·L^?1
时即出现致死效应，而海口海水耐受略高（13.14 μmol·L^?1
）。

转录组分析揭示了更深层的分子机制。当PO₄
^3?
浓度提升至6.57 μmol·L^?1
时，氮吸收相关基因如硝酸盐转运体2（NRT2）和铵转运体1（AMT1）显著下调。更引人注目的是，泛素-蛋白酶体通路（ubiquitin-proteasome pathway）等氮代谢相关通路，以及光合作用、碳固定、糖酵解/糖异生和磷酸戊糖途径等多条基础代谢通路均受到抑制。这表明磷富集引发的生长抑制本质上是通过破坏氮吸收与代谢实现的——这一假说在补充氮源可缓解磷胁迫的实验中得到进一步验证。

技术方法上，研究整合了野外采样（海南昌江19°28′5.045″N, 108°52′53.04″E）、实验室适应性培养、正交实验设计、生理指标（增重率）测定、转录组测序和生物信息学分析（差异基因与通路富集）。

【Seaweed collection and cultivation】
采用3-5 cm藻体分枝在1000 mL锥形瓶中进行标准化培养，确保实验材料的一致性。

【Effects of environmental characteristics on B. gelatinus】
通过测定三地海水基础营养盐浓度，发现昌江海水PO₄
^3?
本底值最低（0.24 μmol·L^?1
），这解释了该藻株对磷增加的敏感性。

【Betaphycus gelatinus is a low-phosphorus seaweed in tropical marine ecosystems】
对比绿藻（Chlorella vulgaris）等磷耐受物种（耐受浓度达645 μmol·L^?1
），琼枝藻的磷需求阈值极低，证实其寡营养适应特性。

【Conclusion】
研究最终确立琼枝藻栽培的磷酸盐安全阈值：最适浓度<6.63 μmol·L^?1
，极限浓度约11.01 μmol·L^?1
。该发现不仅解释了该物种在热带寡营养海区的自然分布规律，更为人工栽培区的选址与营养管理提供了精准指导。考虑到全球热带海区普遍存在磷限制特征，这项研究为发展可持续藻类养殖提供了重要理论依据。