对海带幼苗在光照胁迫下转录组反应的分析

《Plant Gene》：Analysis of the transcriptomic response of kelp seedlings subjected to light stress

作者：高山珊珊、高永刚、王雪梅、王向宇

单位：山东省海洋科学研究研究院，青岛 266104，中国

摘要

在完全人工筏式养殖海藻的背景下，由于海藻的漂浮，它们经常在水面暴露在较高的光照下，这可能对其正常生长和发育产生不利影响，尤其是对脆弱的幼苗。为了阐明海藻对高光胁迫的响应机制，并识别可能有助于改善幼苗养殖的功能基因，本研究对“Benniu”海藻幼苗在 medium 和 high 光照胁迫条件下的转录组进行了分析。使用 Illumina 技术构建并测序了 cDNA 文库。共鉴定出 1263 个差异表达基因（DEGs），其中 874 个在高光和低光处理之间、192 个在中光和低光之间、182 个在高光和中光条件之间发生变化。GO 功能注释表明，如木聚糖分解、脂质代谢、泛素非依赖的内质网相关降解、细胞外区域活性和阿魏酸酯酶活性等生物过程在光照胁迫下受到显著影响并上调。此外，KEGG 通路分析显示，中光和高光胁迫影响了亚油酸代谢通路，而高光胁迫还影响了花生四烯酸代谢和谷胱甘肽代谢。WGCNA 分析发现，“深绿色”模块中的基因与光照强度呈正相关（r = 0.80，P = 0.009），而“珊瑚 1”模块中的基因则呈负相关（r = ?0.76，P = 0.019）。基于这些结果，建议在幼苗分离前，将养殖深度约为 15 厘米的海藻幼苗所处的光照强度控制在 10,000 lx 以下，以优化生长条件。

引言

海藻（Saccharina japonica）是一种重要的栽培海藻物种，2023 年中国产量约为 178 万吨，占全球总产量的 70%（渔业局等，2023；胡等，2023）。在东亚，主要的养殖技术是筏式养殖，即在海水表面悬挂的缆绳上培育海藻幼苗（Paul 等，2025）。在水流较弱、波浪活动较小的条件下，海藻的顶端向下生长，而固着器向上延伸。相反，在强水流或显著波浪作用下，海藻会平行于水面生长，从而增加其接收到的总光照强度。然而，生物量较低的幼苗更容易受到强烈光照的影响；它们较轻的重量增加了漂浮到水面的可能性，较短的叶片也减弱了相互遮荫的效果。

光是光合生物生长和发育的基本能源，也是影响植物生长的最重要环境因素之一。植物通过光受体（如光敏色素）感知光信号（Jiao 等，2007）。过度光照会通过过度还原光合作用电子传递链引发光氧化应激，其中光反应产生的电子被转移到氧气上，导致活性氧（ROS）的形成（Hippler 等，2021），从而造成细胞损伤。尽管海藻不被归类为植物（Bringloe 等，2020），但它通过称为色素体的特殊结构同样利用光能（Yao，1987），并且受到光照条件的显著影响。在自然栖息地中，如海藻和其他冷水底栖藻类能够适应低光和低温环境（Davison 等，1991），并且特别容易受到非生物胁迫的影响，包括高光照强度，这可能导致在相对较低的光照强度下光合作用效率升高和饱和（Martins 等，2023）。实验研究表明，如 S. japonica（Shindo 等，2022）和 S. sculpera（Sato 等，2020）在暴露于 1000 μmol photons m^?2?s^?1 的强光下六小时后，有效量子产率显著降低。此外，野外调查发现，天然存在的 Laminaria saccharina 的光合作用性能受光照可用性的显著调节（Gevaert 等，2003），并且这些生物具有光保护机制。此外，海藻物种表现出与陆地植物类似的转录调控网络，控制着各种光响应基因的表达（Sun 等，2014）。

转录组包括在特定发育阶段或功能状态下某个组织或细胞内转录的所有 RNA 分子（Lockhart 和 Winzeler，2000）。转录组分析技术首先对转录产物进行分类，并描述基因转录图谱。随后，这些方法定量评估并分析不同条件下的差异转录表达（Costa 等，2010）。基于 RNA 测序（RNA-seq）的转录组分析因其高准确性和效率而受到认可，并已广泛应用于研究影响高等植物的环境调控因素（Guan 等，2021；Guan 等，2023；Li 等，2024a，Li 等，2024b），以及大型藻类的生长、发育和环境胁迫响应研究（Ding 等，2018；Liu 等，2020；Zhao 等，2024）。此外，转录组方法也被用于分析海藻。例如，Heinrich（Heinrich 等，2015）将 S. latissima 暴露于十二种不同的光照和温度组合下，利用转录组分析来研究这些变量对基因表达的影响。其他研究（Zhang 等，2018）表明，高温和强光会迅速上调关键基因（如 SjPMM/PGM1）的转录水平，这些基因参与海藻的藻酸盐生物合成途径。海藻可能通过调节细胞壁多糖的合成来适应光诱导的胁迫（Shao 等，2019）。

在以往研究的基础上，转录组分析技术得到了发展，目前被用于研究海藻对非生物胁迫因素的响应。在本研究中，分析了海藻在不同光照条件下的转录组变化。我们描述了海藻在高光胁迫下的分子和代谢途径变化，并鉴定出与耐受高光照强度相关的基因。这项工作旨在提供关于海藻幼苗对强光暴露适应机制的基本见解，并为优化养殖实践做出贡献。

章节片段

海藻材料

本研究中使用的海藻品种是“Beniu”，该品种在荣成地区广泛栽培，以其表型稳定性而闻名。幼苗的繁殖采用了 Li（2013）描述的低温自然光照育苗方法。当荣成养殖场的水温逐渐降至 20°C 时，之前固定在育苗绳上的幼苗在十月中旬被引入海洋环境。

差异表达基因的鉴定

测得的 RNA 浓度范围为 22.0 至 41.1 ng/μL，平均值为 30.3 ng/μL。RNA 完整性数（RIN）范围为 6.9 至 7.9，平均值为 7.6，表明提取的 RNA 质量符合 A 级标准。提取后，样本文库进行了 RNA 测序，获得了总共 61.87 Gb 的高质量数据（表 S 1）。该数据集是在去除拼接接头和含有超过 10% 不明确序列的读段后获得的。

讨论

海藻主要栖息在沿海海域，延伸到低潮区域，在低潮期间成熟个体会受到强烈光照的影响，而幼年海藻通常聚集在水柱中。作为一种固着生物，海藻特别容易受到光照强度和温度等非生物因素变化引起的环境胁迫，这可能对其生长产生负面影响（Qureshi 等，2007）。

CRediT 作者贡献声明

高山珊珊：资源、方法论、数据管理。高永刚：资源、概念化。王雪梅：数据管理、正式分析。王向宇：写作 – 审稿与编辑、写作 – 原稿撰写、方法论、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。

Nayar 和 Bott，2014

Oh 等，2010

Wang 等，2025

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。