水生所揭示镉胁迫下集胞藻的高频时序分子动态

　　

藻类在镉迁移转化、富集与生物修复中具有重要作用，但细胞在环境剂量镉胁迫下的连续分子动态特征缺乏认识。中国科学院水生生物研究所毕永红团队以模式蓝藻集胞藻PCC 6803为对象，综合运用生理生态学、叶绿素荧光动力学、高频时序转录组/蛋白质组学和PRM靶向验证等手段，解析了集胞藻从快速响应到逐渐适应的分子动态过程。

图1?镉胁迫下集胞藻分子动态的双阶段模式

环境浓度镉胁迫下集胞藻差异表达基因/蛋白的数量和表达水平在24 h前后有显著差异，提示24 h是重要时间节点：0-24 h表现为快速、短暂且特异的基因/蛋白激活，nrsA、PsbA1/T和Ssl1911等被识别为阶段性分子特征；24-144 h表现为持续协同的蛋白质组调控，145个共同差异表达蛋白形成稳定响应模块；前后两个过程分别是细胞的响应阶段和适应阶段。集胞藻在响应阶段通过金属感知、光系统修复与氮/谷氨酸代谢调节实现快速应急响应；在适应阶段通过降低摄入、增强ATP依赖的外排、强化中心碳代谢供能和抗氧化活性适应镉胁迫环境并通过多层次调控维持细胞稳态：一方面，MntCAB、FeoB等与金属离子内流相关的转运系统表达降低，可减少Cd²⁺?摄入；另一方面，Slr0944、ZiaA以及Sll1725等外排转运系统被诱导，有助于降低胞内镉毒性；同时，中心碳代谢、TCA循环、能量供应相关通路和抗氧化酶Slr1516等持续增强，为ATP依赖的金属外排和氧化损伤缓解提供支持。

该研究揭示了集胞藻响应镉胁迫的双阶段模式，为深入认识镉胁迫下藻细胞的连续分子动态特征提供了理论依据，并为藻类介导的镉污染修复技术提供了重要支撑。

图2镉胁迫下差异表达基因和差异表达蛋白的高频时序点火山图。（A）转录组差异表达基因火山图；（B）蛋白质组差异表达蛋白火山图。

该成果以“Time-resolved multi-omics reveals molecular dynamics of Synechocystis?sp. PCC 6803 to cadmium stress”（https://doi.org/10.1016/j.envpol.2026.128590）为题发表在Nature Index收录期刊Environmental Pollution上，水生所博士生阮港为第一作者，毕永红研究员为通讯作者；研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持，水生所分析测试中心在蛋白质组测定方面提供了技术帮助。