多组学方法揭示原儿茶酸对海洋甲藻Scrippsiella acuminata的抑制作用

《Microorganisms》：Multiomics Approach Reveals the Inhibitory Effects of Protocatechuic Acid on the Marine Dinoflagellate Scrippsiella acuminata Xin Zhang, Meiyao He, Di Wang, Meimei Wang, Hongxin Liu, Jihui Wang, Shunshan Duan and Meng Liu

　　

近几十年有害藻华（Harmful Algal Blooms, HABs）发生频率持续升高，严重威胁水产养殖、滨海旅游业及人类健康。作为一种极具应用潜力的防控手段，现有化感作用机制研究多聚焦于有害藻类生理层面的响应。本研究采用多组学策略，探究甲藻Scrippsiella acuminata对酚类化合物原儿茶酸（Protocatechuic Acid, PA）的化感响应，该物质已被证实可抑制藻类生长。研究人员通过转录组学、蛋白质组学和代谢组学联合分析发现，在化感胁迫下，该藻基因表达发生显著变化（5247个上调，81个下调），蛋白质表达显著改变（56个上调，49个下调），代谢物谱亦呈现显著差异（320个上调，168个下调）。转录组数据表明，抗氧化系统与能量代谢相关基因显著上调，提示暴露于原儿茶酸可能诱导了抗氧化应答反应。蛋白质组学结果揭示了光合作用、能量代谢及遗传信息处理过程受到显著影响，尤其强调了脂质与碳水化合物代谢的重编程以适应胁迫环境。代谢组学特征验证了上述发现，显示脂质与氨基酸代谢发生偏移，体现了胁迫下细胞维持能量储存与胞内稳态的适应性策略。值得注意的是，光合作用相关蛋白与代谢物的改变表明原儿茶酸可直接作用于光合机构，进而损害藻类生长与能量生产。综上，多组学分析全面揭示了S. acuminata应对化感胁迫的复杂响应机制，阐明了基因、蛋白质与代谢层面调控的互作网络。该研究深化了对藻类化感互作的理解，为开发新型有害藻华防控策略提供了理论依据。

本研究针对有害藻华（HABs）防控难题，聚焦传统物理化学方法成本高、易引发生态风险等局限，以全球广布、易形成休眠孢囊且难治理的赤潮甲藻Scrippsiella acuminata为对象，探究天然酚类化感物质原儿茶酸（PA）对其生长的抑制机制。此前研究虽证实PA对S. acuminata具有抑制效应，但其分子层面的调控网络尚未明确。研究人员整合转录组学、蛋白质组学与代谢组学技术，系统解析了PA胁迫下该藻的多层级响应特征，研究成果发表于《Microorganisms》。

关键技术方法方面，研究人员选取处于指数生长期的S. acuminata，设置原儿茶酸处理组（0.20 mM，48 h）与对照组，每组设至少3次生物学重复。转录组学采用Illumina平台测序，经Trinity组装后筛选差异表达基因（DEGs）并进行GO与KEGG富集分析；蛋白质组学通过TMT标记结合Q Exactive HF-X质谱鉴定差异表达蛋白（DEPs）；代谢组学利用LC-MS技术检测胞内与胞外代谢物，经PLS-DA模型筛选差异代谢物（DEMs）并完成通路注释。

研究结果如下：

2.1 原儿茶酸胁迫下S. acuminata的转录组变化：抗氧化与能量代谢基因广泛上调

研究人员共注释到63.48%的独特基因（Unigenes），鉴定出5328个差异表达基因，其中5247个上调、仅81个下调。GO与KEGG分析显示，上调基因显著富集于氢离子跨膜转运、氧化磷酸化及碳水化合物衍生物代谢等能量生成过程，同时无机阳离子转运相关通路亦被激活；下调基因则主要参与光合作用及光捕获过程。结果表明PA胁迫诱导了该藻能量代谢、转运系统及光合途径的协同重编程。

2.2 原儿茶酸暴露下S. acuminata的蛋白质组分析：光合与脂质代谢通路显著调控

共鉴定到13955个蛋白质，其中105个为差异表达蛋白（56个上调、49个下调）。上调蛋白主要参与代谢过程（如苹果酸脱氢酶、酰基辅酶A脱氢酶）及氧化还原解毒（如谷胱甘肽S-转移酶）；下调蛋白则集中于光合作用（如捕光复合体蛋白）、核糖体组装及信号转导通路。这种不对称调控反映了细胞将资源从生长过程向胁迫适应过程重新分配的策略。

2.3 原儿茶酸处理下S. acuminata的代谢组特征：脂质与氨基酸代谢的适应性重塑

共检测到胞内代谢物2352种、胞外代谢物303种。差异代谢物分析显示，胞内代谢物以320个上调为主，胞外则以13个下调为主。KEGG富集表明，氨基酸与氮代谢（如N-乙酰鸟氨酸上调）、脂质代谢重构（如亚油酸衍生物上调）及光合色素代谢紊乱（如脱镁叶绿酸a下调）是主要响应特征，体现了细胞通过氮动员支持胁迫适应、通过脂质重塑维持膜稳定性的双重策略。

讨论部分指出，多组学数据揭示了PA通过“直接抑制光合固碳+间接增加能量消耗”的双重模式抑制藻生长。转录水平核糖体基因的广泛上调与蛋白水平的下调存在解偶联，暗示了转录后调控的存在。脂质代谢合成与降解途径的同时激活，可能是通过区室化调控分别实现能量供应与膜稳定性维持。此外，Ras信号通路的激活及细胞周期相关蛋白的下调，可能与胁迫下的休眠孢囊形成相关。研究强调，尽管多组学提供了全面的分子图谱，仍需结合生理生化实验进一步验证分子变化与表型间的因果关系。

结论部分表明，原儿茶酸胁迫下S. acuminata在转录组、蛋白质组及代谢组层面均发生显著改变，涉及遗传物质处理、能量代谢及光合作用等关键生命过程。转录组数据显示抗氧化系统与线粒体电子传递链相关基因上调，体现其对抗氧化胁迫的尝试；转录组与蛋白质组的非对应关系暗示甲藻可能依赖翻译后调控机制。蛋白质组结果证实光合作用受抑，同时脂质代谢增强以提供能量；代谢组特征进一步支持了氨基酸与脂质代谢偏移以维持胞内稳态的适应性策略。该研究深化了对甲藻化感响应分子机制的理解，为开发环境友好型有害藻华防控技术提供了新视角，同时凸显了多组学在有害藻华研究中的应用价值，以及未来整合基础生物学指标以提升研究严谨性的必要性。