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硅藻是海洋生态系统中重要的初级生产者，在蓝碳封存中发挥关键作用。尽管其昼夜节律已在纯培养中被研究，但这些节律如何受共栖细菌调控仍不清楚。研究人员利用三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）与海洋细菌费氏阿里环菌（Aliivibrio f
硅藻是海洋生态系统中重要的初级生产者，在蓝碳封存中发挥关键作用。尽管其昼夜节律已在纯培养中被研究，但这些节律如何受共栖细菌调控仍不清楚。研究人员利用三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）与海洋细菌费氏阿里环菌（Aliivibrio fischeri）的限定共培养体系，观察到P. tricornutum在时间依赖的生理与转录组变化，包括随共培养时间延长节律基因减少16.3%。基因组尺度代谢建模（GEM）提示双相响应：共培养早期预测生物量通量上升81%，长期共培养下降87%。通过AI驱动的独立成分分析（ICA）解卷积转录组，鉴定出与共培养条件下硅转运及衰老相关响应有关的基因模块。这些发现建立了硅藻—细菌种间互作的系统水平框架，为微生物关联如何影响浮游植物时间生物学与节律调控提供了机制见解。
研究背景与立项依据
硅藻贡献全球约20%年碳固定，演化出内源昼夜节律以协同光与营养可利用性的日变化。既往研究多基于纯培养，无法复现自然海洋中硅藻—细菌复杂互作；而细菌如何影响硅藻昼夜转录程序此前几乎未被探索。研究人员以具混合营养能力、基因组含水平转移细菌基因的海岸硅藻P. tricornutum为模型，配对异养细菌A. fischeri构建限定共培养体系，旨在从系统水平解析细菌共存对硅藻时间生物学与代谢流的重编程。
主要技术方法
研究整合四类方法：①限定共培养生理监测（12 h:12 h光暗周期，30% marine broth，设置无菌对照HAC与Co4d/Co8d时序取样）；②基于JTK_CYCLE的昼夜节律转录组识别（84个新样+129个已发表样，共213 RNA-seq样本，TPM归一）；③转录组约束的基因组尺度代谢建模（GEM/FBA，使用iLB1027_lipid模型，按GPR关联约束通量）；④DeepCluster ICA——在FastICA线性分解后，以自编码器潜嵌入+狄利克雷过程高斯混合模型（DP-GMM）聚合跨重启组件，替代optICA的DBSCAN流程，析出72个iModulon。
研究结果
细菌共存建立竞争而非协同动态
30% marine broth促进生长源于营养而非细菌增益；HAC组QY维持0.6–0.7，Co8d组QY显著恶化至~0.2，表明长期共培养为竞争效应。A. fischeri表面定殖P. tricornutum，EPS在day 6达峰后day 8衰减。
细菌表面定殖与长期共培养驱动EPS耗竭与光合严重失调
Co4d量子产率（QY）稳定~0.7，Co8d QY由0.57降至黎明前最低且光恢复不全，证明长期共培养而非培养龄导致光合功能受损。
共培养相关的相位分布与转录节律性改变
JTK识别Control/HAC/Co4d/Co8d节律基因数分别为8619/9387/8444/7215（占转录组80%/87%/78%/67%）。Co4d相位超前~?4 h，Co8d滞后~+8 h，HAC近对称分布；Co8d Tau指数升高但节律基因比例最低，提示节律破坏。
KEGG分析揭示细菌共存下核心代谢的时间依赖性抑制
Co8d多数通路平均表达下调，氨基酸/碳水化合物代谢峰值由暗相移向光相（如丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸、氮、TCA循环由~ZT13移至~ZT9）；光合作用通路虽受抑仍维持光相峰值；bZIP转录因子（尤bZIP14）上调，核心糖酵解/TCA保节律，芳酸/肌醇磷酸/部分维生素与氨基酸合成通路节律性减弱。
GEM提示共培养下预测碳通量的双相偏移与昼夜重分配
Co4d 24 h生物量通量较无菌对照+81%（昼+66%/夜+103%），Co8d较对照?87%（昼?89%/夜?84%）；Co8d昼夜波动消失，HAC夜通量高于昼，反映暗相同化肽胨氨基酸能力。
ICA将P. tricornutum转录组分解为72个iModulon
213样本×10815基因矩阵经DeepCluster ICA得72 iModulon（涵盖959基因），解释74.5%变异；iModulon_18_BP（硝酸代谢）峰值由夜移昼（ZT5），iModulon_36_BP（硅酸跨膜转运）在Co8d特异放大，单基因模块SG_1（Phatr3_J37403，衰老相关蛋白）在Co8d显著高表达。
精炼DeepCluster ICA算法展现增强性能
与optICA比，DeepCluster ICA在M矩阵上以自编码器非线性嵌入+DP-GMM软分配替代距离阈值聚类，组件间平均绝对内部相关降至0.0034（optICA 0.0038），峰度极端尾与偏度极值减少，方差解释69.0%（optICA 74.5%）但非高斯信号更纯净，匹配组件绝对相关0.8927，GPU mini-batch可扩展。
讨论与结论翻译
讨论指出，P. tricornutum–A. fischeri共培养中，早期相位超前与晚期相位滞后伴节律基因数下降，QY降低与暗后恢复减弱并行；KEGG与GEM均提示长期共培养削弱昼夜代谢分区，转为“代谢收敛”低效态；局限包括两物种实验室体系、缺day-8无菌转录对照、未测细菌转录与代谢交换、GEM为模型推断非实测。研究结论：整合限定共培养、GEM与AI辅助转录组学，揭示长期细菌共存使P. tricornutum由生长优化态转向胁迫代谢态，确立硅藻—细菌互作调控浮游植物时间生物学的系统框架，为藻类—细菌系统节律与胁迫动力学研究奠基。论文发表于《iScience》。
