多组学技术与稳定同位素分析揭示了在二氧化碳（CO2）限制条件下，协调的碳氮代谢重编程机制如何维持硅藻细胞的稳态

《Marine Environmental Research》：Multi-omics and Stable Isotopic Reveal Coordinated Carbon-Nitrogen Metabolic Reprogramming Sustaining Diatom Cellular Homeostasis under CO 2 Limitation

藻华中硅藻代谢适应机制研究：通过稳定同位素和转录组、代谢组分析，揭示 CO? 限制下 Skeletonema costatum 激活碳浓缩机制（CCM）和三羧酸循环，抑制脂肪酸合成，同时氮代谢基因上调，通过谷氨酰胺/谷氨酸途径整合碳氮代谢，维持细胞稳态。

　　

陈海月|刘宇|王国光|范伟佳|荣光志|王海霞

中国大连海事大学环境科学与工程学院，大连116026

摘要

藻类大量繁殖时常会导致二氧化碳（CO₂）供应不足，此时硅藻不仅能够存活，还会占据主导地位。然而，这种生态现象背后的细胞代谢适应性机制仍知之甚少。本研究通过稳定同位素和多组学分析，系统研究了典型硅藻Skeletonema costatum（S. costatum）在二氧化碳限制（300 ppm、100 ppm）条件下的碳-氮代谢响应。二氧化碳限制激活了碳浓缩机制（CCM），减弱了氮同位素的分馏作用，使碳流重新定向至氨基酸生物合成途径而非脂肪酸生物合成途径。整合的转录组学和代谢组学分析表明，碳固定和三羧酸（TCA）循环被激活，而脂肪酸合成受到抑制。这使得碳骨架从乙酰辅酶A（acetyl-CoA）重新导向TCA循环，以支持氨基酸的生产。同时，氮同化相关基因（尤其是参与谷氨酰胺/谷氨酸合成的基因）表达上调，促进了铵的吸收。丙氨酸-天冬氨酸-谷氨酸途径作为核心枢纽，整合了碳骨架和氨基团，驱动氨基酸合成并维持细胞稳态。这些发现系统地揭示了硅藻适应二氧化碳限制的代谢重编程机制，为理解其在藻类大量繁殖期间的优势地位提供了关键见解。

引言

藻类大量繁殖是指在富营养化海水中浮游生物快速繁殖的现象，近年来这一现象在全球沿海地区日益普遍（Feng et al., 2024）。在藻类大量繁殖期间，局部海水中的溶解二氧化碳（CO₂）极度匮乏（0.1-0.3 ppm），这增加了微藻利用碳的难度（Zhang et al., 2021a）。作为微藻光合作用的必需底物，二氧化碳对细胞生长和增殖至关重要（Ji et al., 2017）。二氧化碳限制会抑制生长停滞期间的DNA复制和蛋白质合成，同时上调参与光呼吸的基因表达（Rademacher et al., 2017）。为了应对二氧化碳限制，微藻进化出了碳浓缩机制（CCM），通过上调与碳酸酐酶（CA）活性和碳酸氢盐转运相关的蛋白质表达来提高细胞内二氧化碳浓度（Nimer et al., 2002; Wu et al., 2021）。此外，某些硅藻物种中还存在C4光合作用途径，其中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）将二氧化碳固定为草酰乙酸（OAA），随后通过磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPCK）脱羧，使磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）在细胞质中再生，从而持续循环（Reinfelder et al., 2000）。研究表明，该途径在低二氧化碳条件下对碳同化具有关键作用，PEPC的抑制会导致其光合作用降低超过90%（Reinfelder et al., 2004）。

碳和氮的代谢共同调节微藻的细胞稳态。光合作用产生的ATP和NADPH为氮还原提供能量，而通过卡尔文循环固定的碳则转化为碳水化合物和有机酸，这些物质通过谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）循环成为氨基酸合成的碳骨架（Li et al., 2023a; Yin et al., 2025）。同时，作为蛋白质合成的必需元素，氮调节参与碳固定和运输的酶的活性（例如核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）），从而在低二氧化碳条件下维持高效的碳同化（Bi et al., 2021; Raven, 2013）。在氮缺乏的情况下，硅藻会经历代谢重编程，影响多种过程，包括光合作用、碳固定和氮同化（Bender et al., 2014; Granum et al., 2009），并使碳储存转向中性脂质的积累而非碳水化合物（Alipanah et al., 2015）。有一种基于氮同化的反馈传感器被提出，用于将光合作用碳固定与脂质生物合成耦合，使硅藻能够快速适应氮浓度的变化（Levitan et al., 2015）。同样，氮饥饿会诱导膜脂质重塑，促进三酰甘油积累，可能是通过耦合氮同化、中心碳代谢和TCA循环实现的（Remmers et al., 2018）。环境因素，如温度和二氧化碳浓度，会调节细胞的碳-氮平衡。例如，在变暖和酸化条件下，硅藻会调整转录调控以维持蛋白质稳态并增强氮同化（Thangaraj and Sun, 2021）。现有研究主要关注硅藻对氮限制或二氧化碳升高的响应。代谢网络如何在二氧化碳限制下重组以维持细胞活力尚不清楚。因此，阐明碳-氮的整合调控机制对于理解硅藻的适应策略和藻类大量繁殖中的生物地球化学循环至关重要。

碳（δ¹³C）和氮（δ¹⁵N）稳定同位素特征是碳同化和氮转化过程的可靠指标（Lou et al., 2020; Stirnimann et al., 2024）。微藻的δ¹³C主要反映了酶促羧化、跨膜碳运输和藻类生长过程中的二氧化碳利用情况（Fan et al., 2024; Fry and Sherr, 1989; O'Leary, 1981）。微藻的δ¹⁵N主要受氮源（如硝酸盐、铵）的同位素组成、消耗效率和同位素分馏效应的影响（Liu et al., 2020; Lou et al., 2020）。多组学技术的进步，特别是代谢组学和转录组学，使得能够检测环境诱导的代谢变化并识别代谢网络中的关键调控基因，从而更深入地了解微藻中的碳和氮同化过程（Smith et al., 2019; Villanova et al., 2017）。因此，通过将稳定同位素技术与多组学分析相结合，可以在分子和原子层面全面阐明微藻在二氧化碳限制下的代谢响应。

硅藻对全球海洋净初级生产力有显著贡献（Demo et al., 2025）。S. costatum是沿海藻类大量繁殖中的优势物种，最近发现它还能促进细胞外碳酸钙的沉淀，使其在生物碳泵和海洋碳循环中发挥独特作用（Pan et al., 2023）。因此，将S. costatum作为模型藻类进行研究具有重要意义。本研究通过结合稳定同位素技术和多组学分析，系统研究了S. costatum在二氧化碳限制下的碳和氮代谢协同调控机制。具体来说：（i）利用稳定同位素和生化成分数据揭示S. costatum的碳和氮吸收及同化模式；（ii）通过转录组学和代谢组学分析筛选受调控的生物合成途径；（iii）通过多组学联合分析确定关键的代谢枢纽。这项工作阐明了硅藻在藻类大量繁殖期间生存的代谢适应机制。

部分内容片段

藻类培养和实验设计

S. costatum来自中国科学院海洋研究所的海洋藻类培养收集库（中国青岛）。藻类培养在改良的Conway培养基（表S1和S2）中进行了预培养，培养条件为MGC-450BP恒温光照培养箱（光照强度3000 lx，光照时间12小时：黑暗时间12小时，温度24 ± 1 °C）。为防止S. costatum粘附和沉淀，每天手动搅拌培养瓶3-4次。培养瓶的位置是随机排列的

二氧化碳限制抑制了S. costatum的生长并加速了碳的吸收

在培养第2-6天，所有S. costatum处理组的生物量均有所增加。在第8-10天，SC-300和SC-100组的生物量比SC-D组低31.55%至47.5%（p < 0.05），进入了相对稳定的阶段（图1A）。随着培养时间的延长，SC-D组的S. costatum叶绿素a含量逐渐增加。与SC-D组相比，SC-300和SC-100组的叶绿素a含量显著降低了35.51%-63.28%（p < 0.05）

二氧化碳限制激活了S. costatum的碳浓缩机制

我们的研究揭示了S. costatum在二氧化碳限制下的代谢重编程。作为主要碳源，二氧化碳直接调控微藻的生长。先前的研究发现S. costatum对二氧化碳浓度的变化非常敏感（Kim et al., 2006; Steffen and Ulf, 1997）。在本研究中，S. costatum的生长受到二氧化碳限制的抑制，可能是因为细胞将能量优先用于维持生长而非细胞分裂（Cheng et al., 2025）。

结论与局限性

研究发现，二氧化碳限制引发了S. costatum中碳和氮代谢的全面代谢重编程，以维持细胞稳态。在二氧化碳限制条件下，碳浓缩机制的激活增强了二氧化碳的吸收，并将碳流从脂肪酸合成途径重新导向TCA循环，为氨基酸合成提供了必要的碳骨架。氮同化相关基因的表达同步上调

CRediT作者贡献声明

王国光：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，资金获取。范伟佳：实验研究，数据管理。荣光志：数据可视化，监督。王海霞：软件使用，数据管理。陈海月：初稿撰写，方法学设计，数据分析。刘宇：监督，资金获取，概念构思

未引用的参考文献

中国国家质量监督总局，2008b。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中央高校的基础研究基金[资助编号3132023505]和辽宁振兴人才计划[资助编号XLYC1802036和XLYC2001002]的支持。