格陵兰冰盖藻类主导的宏蛋白质组揭示细胞对极端环境的适应性机制

本研究首次通过宏蛋白质组学技术解析了格陵兰冰盖上绿藻门(Chlorophyte)和链型藻门(Streptophyte)藻类的蛋白质表达谱，揭示了它们在极端低温、高光和寡营养条件下的生存策略。研究发现链型藻通过环境信号传导和营养转运蛋白的富集动态响应冰面环境变化，而绿藻则依赖脂质代谢和氮储存机制适应贫瘠环境。该成果为预测气候变化下冰盖生态系统演变提供了分子生物学基础，发表于《npj Biofilms and Microbiomes》。

　　

在广袤的格陵兰冰盖(GrIS)表面，存在着一个鲜为人知的微型生态系统——由真核藻类主导的冰雪微生物群落。这些微生物在极端环境下繁衍生息：温度常年低于冰点、紫外线辐射强烈、营养物质极度匮乏。尤其引人注目的是，绿藻门(Chlorophyte)的雪藻在积雪表面形成红色"藻华"，而链型藻门(Streptophyte)的冰藻则使冰面呈现深色斑块。它们不仅是冰盖生态系统的初级生产者，还通过降低地表反照率加速冰雪消融，对全球气候产生重要影响。然而，这些藻类如何在如此恶劣环境中存活的细胞机制始终是个谜团。

传统研究多集中于藻类的生物地理分布和生态学特征，关于其分子适应机制的认识主要来自基因组预测或实验室培养。但实验室条件难以模拟真实的冰盖环境，且培养藻株常表现出与自然环境不同的形态和色素特征。蛋白质作为生命活动的直接执行者，其表达水平与细胞功能密切相关，但此前从未有研究对冰盖藻类进行过原位蛋白质组分析。这种知识缺口严重限制了对冰盖生态系统功能的准确评估，特别是在全球变暖导致冰盖消融加剧的背景下。

为填补这一空白，由Helen K. Feord和Liane G. Benning领衔的国际研究团队首次采用宏蛋白质组学方法，对格陵兰冰盖南缘的雪藻和冰藻群落进行了蛋白质表达谱分析。研究采集了2021年夏季的红色雪样和深色冰样，通过液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)技术鉴定和定量了7517个蛋白质组(PGs)，其中6256个在至少两个重复样本中被定量。研究创新性地构建了包含437，423条预测蛋白序列的定制数据库，结合Scaffold软件进行严格的质量控制（蛋白质鉴定概率>99%，至少2条独特肽段）。

主要技术方法

研究团队建立了完整的冰盖样品宏蛋白质组分析流程：1)现场采集雪样和冰样后立即冷冻保存；2)采用三阶段缓冲液提取法克服样品基质干扰；3)一维SDS-PAGE分离后胶内酶解；4)高分辨率Orbitrap Elite质谱仪分析；5)基于前期转录组数据构建定制数据库进行搜库；6)通过DIAMOND BLASTp和MEGAN6进行蛋白质分类学注释；7)使用INTERPROSCAN、GO和KEGG进行功能注释。同时辅以18S/16S rRNA基因测序、流式细胞计数和代谢组学(GC-MS/LC-MS)进行多组学验证。

Metaproteome workflow and taxonomic assignment of protein groups

分析显示雪样和冰样的蛋白质组存在显著差异，仅有19%的蛋白质组为两者共有。分类学注释证实雪样以绿藻门蛋白为主（占总量的77%），主要为Chloromonas属；冰样则富含链型藻门蛋白（80%），优势种为Ancylonema spp.。这种分布模式与18S扩增子测序和细胞计数结果高度一致。有趣的是，雪样中真菌蛋白占比约5%，显著高于冰样(0.5%)，暗示不同生境中藻类与异养微生物的互作差异。

Primary metabolism, regulation of gene expression, and environmental signaling

链型藻蛋白组显示出独特的环境响应特征：1)RNA代谢相关蛋白（如RNA解旋酶）和剪接体通路显著富集；2)MAPK信号通路蛋白含量高出绿藻6倍；3)紫外感应蛋白UVR8和光敏视紫红质高表达；4)微管蛋白含量增加近10倍，可能与细胞形态维持相关。相比之下，绿藻蛋白组中嘌呤合成通路蛋白（如腺苷琥珀酸裂解酶）含量高出10倍，代谢组数据也证实其嘌呤代谢物（次黄嘌呤和腺嘌呤）更丰富，暗示其可能利用嘌呤结晶作为氮储存形式。

Photosynthesis, carbon partitioning, and nutrient homeostasis

虽然两个类群都高表达核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)大亚基，但绿藻的光合作用相关蛋白（如叶绿素A-B结合蛋白）总体含量更高。脂代谢方面，绿藻的甘油-3-磷酸脱氢酶含量高出链型藻100倍，与其代谢组中甘油-3-磷酸的积累相吻合。链型藻则表现出更强的营养获取能力：跨膜转运蛋白（如钾离子转运体）占比达0.65%（绿藻仅0.2%），且富含参与色氨酸代谢的酶系。

Pigment production pathways

研究首次在蛋白质水平揭示了两种藻类色素合成通路的差异：1)链型藻中，与紫色素purpurogallin合成相关的莽草酸途径酶（如3-脱氢奎宁酸合成酶DHQS）含量高出10倍，同时检测到可能参与色素糖基化的UDP-葡萄糖基转移酶；2)绿藻中，类胡萝卜素合成通路蛋白（如八氢番茄红素合成酶PSY）显著富集，且 carotenoid oxygenases（类胡萝卜素裂解酶）含量高出100倍，可能参与astaxanthin（虾青素）的合成与降解平衡。

这项研究通过创新性地应用宏蛋白质组学技术，首次绘制了冰盖藻类在自然环境中的蛋白质表达图谱。链型藻展现出"环境响应型"策略——通过丰富的信号转导网络和营养转运系统动态适应多变的冰面环境；而绿藻则采用"储备型"策略——依赖脂质储存和嘌呤结晶应对长期氮限制。这些发现不仅深化了对极端环境生物适应机制的理解，更重要的是为预测气候变化下冰盖生态系统演变提供了分子标记。

特别值得注意的是，研究揭示了两种藻类截然不同的光适应机制：链型藻通过UVR8光受体和purpurogallin的快速合成/降解平衡应对强光；绿藻则依赖astaxanthin酯化和类胡萝卜素代谢调控。这些发现解释了为何链型藻主导的冰面比绿藻主导的雪面具有更强的吸热效应。未来研究可重点关注：1)purpurogallin合成通路的具体酶学机制；2)藻类越冬期间色素降解的能源供应途径；3)微生物互作对藻类蛋白质表达的调控作用。该研究建立的宏蛋白质组学方法也为其他极端环境微生物研究提供了技术范式。