三角褐指藻高碳低氮胁迫下的转录组应答与碳氮代谢平衡机制

《Ecology and Evolution》：Transcriptomic Responses of the Marine Diatom Phaeodactylum tricornutum to High Carbon and Low Nitrogen Stress

本文通过RNA测序技术揭示了海洋硅藻三角褐指藻在高CO2（约2000 μatm）和低氮（f/2培养基氮浓度的10%）胁迫下的转录组调控网络。研究发现，高碳和低氮均能诱导碳代谢关键基因（如磷酸甘油酸变位酶PGAM_7、二氢硫辛酰胺琥珀酰转移酶）上调和氮同化基因（硝酸还原酶NR、亚硝酸还原酶NirB）显著激活，同时卡尔文循环关键酶果糖-1,6-二磷酸酶（FBPC4）下调。通路富集分析表明乳酸发酵和氮补救途径被激活，提示藻细胞通过代谢重组维持碳氮（C:N）稳态，为理解硅藻对未来海洋环境的适应机制提供新见解。

　　

转录组测序揭示三角褐指藻碳氮代谢平衡调控网络

研究通过Illumina高通量测序平台对三角褐指藻在高CO₂（HC，~2000 μatm）和低氮（LN，88 μM NO₃^–）胁迫下的转录组进行分析。质控数据显示各样本Q30值均高于95%，基因组比对率超90%，为后续分析提供可靠基础。主成分分析表明不同处理组转录谱显著分离，PC1和PC2累计解释80.86%的变异。

差异表达基因的全局响应特征

低氮条件引发更强烈的转录重组，共鉴定到4267个差异基因（2087个上调/2180个下调），而高碳组为2424个（1487个上调/937个下调）。Venn分析发现1230个基因在两种胁迫下共同上调，包括氮代谢关键酶基因（硝酸还原酶PHATRDRAFT_54983、亚硝酸还原酶PHATRDRAFT_13154等）和碳代谢相关基因（磷酸甘油酸变位酶PGAM_7）。聚类热图显示硝酸转运蛋白（NRTs）基因在低氮条件下表达显著增强，提示细胞通过增强氮吸收应对营养限制。

碳代谢通路的适应性重构

糖酵解和TCA循环关键酶基因普遍上调：磷酸甘油酸变位酶（PGAM_7）在LN/HC组log₂FC分别达7.56和7.46；二氢硫辛酰胺琥珀酰转移酶（PHATRDRAFT_40430）上调超3.8倍。相反，卡尔文循环关键酶果糖-1,6-二磷酸酶（FBPC4）显著下调（LN组log₂FC=-7.57），表明碳固定通量向能量代谢倾斜。KEGG富集显示HC组糖酵解/糖异生、TCA循环和丙酮酸代谢通路显著激活，而LN组乙醛酸-二羧酸代谢增强，可能通过乙醛酸循环补充TCA中间体。

氮同化系统的协同激活

氮代谢通路中多个基因呈现协同上调：亚硝酸还原酶基因PHATRDRAFT_13154表达量变化最显著（LN/HC组log₂FC分别为12.00和11.31）；铁氧还蛋白-亚硝酸还原酶（PHATRDRAFT_27757）和硝酸转运蛋白（PHATRDRAFT_26029等）同步诱导。GO分析发现LN组核糖体生物合成相关基因富集，而光合系统II组件基因下调，反映氮资源向必需代谢过程倾斜的再分配策略。

乳酸代谢与能量平衡调节

D-乳酸脱氢酶（PHATRDRAFT_43667）在两种胁迫下均上调，而L-乳酸脱氢酶（PHATRDRAFT_bd1469）仅在HC组激活。该现象可能与NAD⁺再生需求相关，乳酸发酵途径的诱导有助于维持糖酵解通量 under 碳氮失衡压力。这与KEGG富集到的"氮补救途径"共同指向能量节约型代谢模式的启动。

实验验证与生态意义

qPCR对GOX、PGP_2等8个基因的验证结果与转录组数据高度一致（R²>0.9）。研究揭示三角褐指藻通过三重调控策略应对碳氮失衡：增强氮捕获效率（硝酸还原酶体系上調）、重构碳流向（糖酵解/TCA循环强化）和激活替代能量途径（乳酸发酵）。这种代谢可塑性为理解硅藻在未来高CO₂、低氮海洋环境中的竞争优势提供了分子基础，同时为微藻碳汇育种提供了候选靶点。