近期，浙江大学傅维琦团队与国内外研究人员合作在 Journal of Cleaner Production 发表科研成果，探究了海洋模式硅藻三角褐指藻对酸性胁迫的适应性。该工作采用适应性实验室进化 (Adaptive Laboratory Evolution) 手段显著提高了硅藻在弱酸性环境胁迫压力下的生长速率和光合固碳能力。通过分析不同进化种群的基因表达差异揭示了对硅藻耐酸性起关键作用的潜在分子机制。该成果对于开发硅藻藻株以应对海洋局部酸化以及实现废气二氧化碳的高效固定具有重要意义。2 j; b4 e7 s6 @6 B) y8 Q+ G# y! i
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文章亮点: i) B/ S6 t9 D! ]
一、研究背景
- @4 ? Q& i4 K4 p1 r+ W海洋碳汇暨蓝碳，总量大约是陆地的20倍，大气的50倍，是大气二氧化碳浓度变化最主要的缓冲系统。提高蓝碳生态系统碳汇将是我国实现碳中和最有潜力的生态学途径之一。微藻作为浮游植物具有比陆生植物更高的固碳和生长效率，可以更高效的将二氧化碳转化为有价值的产品。然而海洋酸化和高浓度酸性二氧化碳气体会严重抑制微藻生长，主要原因在于低pH环境条件会破坏细胞光合能力并损害其正常代谢功能。因此亟需解析微藻耐酸机制并开发具有优良性状的工程藻株。/ x$ ^$ {1 B4 M6 ]" t
二、成果讨论3 {( ?( W0 T% Z9 l) N( ~
1.低pH（酸性）耐受性评估
, x% O g; Q4 I2 i! V' M温室气体造成的酸性环境是培养微藻需要克服的不利条件，pH值可能通过影响细胞膜电位、能量分配和酶活性等直接影响细胞生理过程。三角褐指藻作为海洋硅藻可以适应广泛的碱性海洋环境，但是鲜有关于工业生产条件对三角褐指藻影响的报告。: R) s ]2 G D
利用缓冲液控制培养过程中的酸碱环境，我们评估了pH值对三角褐指藻生长和光合作用的影响。结果表明，降低pH对三角褐指藻生长的负面影响越来越大，三角褐指藻的光合效率对碱性范围的pH值不敏感。然而酸性条件（pH<7.0）会降低光合效率，可能是酸性条件延缓三角藻生长的重要原因。三角褐指藻可以耐受的酸性环境极限是pH 5.5。; P# d, K+ W) y5 X, `9 w' q* A
2.低pH环境胁迫压力下的适应性! R5 q+ y' G8 i- n' ? v
适应性实验室进化利用人工控制的胁迫环境筛选有益的自发突变，从而在种群中积累更能克服压力环境的变种。这种方法简单有效，可以系统性优化微生物在压力环境中的适应度，从而提升不利条件中的生物质产量。& `( L ~. f- r( k
在条件稳定的半连续培养中（Fig. 1），持续施加低pH选择压力使三角褐指藻在16个培养周期（80天）达到显著提高（1.4倍）且稳定的生长率。后续的生长实验确定了适应后的藻种对酸性范围（pH5.5-pH6.5）的环境有稳定的抗逆性。* M# E7 f5 s- D( e1 ?1 ]
3.耐酸性藻株应对酸性胁迫的转录调控: y: Y' S- ^: n9 m+ t# J
我们将工程种（ALE1,ALE2和ALE3）和野生种（WT）在受到低pH刺激（pH6.0）后的转录组进行差异表达分析，并挑选在多个藻种中有共性的反应做进一步研究。结果表明，工程藻中的上调基因显著富集于有关光合作用、胞内pH调控、以及糖和油脂的代谢（Fig. 2a）。此外，有关能量、碳水化合物、氨基酸、油脂的代谢在工程藻中显著提升（Fig. 2b）。
9 l4 B$ ~, i; f2 ]5 d, E由长期低pH选择压力筛选的藻种和未适应藻种在基因表达上的差异反映了这些功能可能赋予工程藻更强的耐酸性。这些结果揭示了硅藻长期适应酸性条件的反应和硅藻中对耐酸性有潜在影响的机制。该成果对进一步的基因功能研究和基因工程改造有指导意义。* f! T) R9 }! B
三、总结# @# [5 T" i- n0 q, Z
1. 硅藻作为海洋初级生产者的重要组成部分，了解它们随着海洋酸化等环境不断变化而产生的响应调控，对于评估人类活动和气候变化对海洋生态系统的影响具有重要意义。
. }' C1 j7 P1 o6 v6 B- M2. 研究结果可以为进一步研究并确定特定耐酸基因及其在耐酸性胁迫反应中的功能提供有价值的信息。
. M1 g! e* k c3. 转录组学指导的设计可以有效地促进微藻工程化，为生物技术应用铺平道路，从而开发硅藻直接利用高浓度二氧化碳气体的碳负排放技术并实现碳中和。该研究聚焦于技术发展与科学机制的解析，成果对于实现国家双碳战略目标和联合国可持续发展目标具有重要意义。 ^7 T3 W- }0 d
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1 d- y: P) ?: k0 O: O" ~: f/ kFig. 1 . Adaptive laboratory evolution (ALE) process for P. tricornutum at pH 6.0. Average growth rate under constant acidic stress over the ALE process. Three parallel populations derived from the same parental culture were subjected to constant low pH stress at 6.0 in 5-day cycles. The ALE experiment was conducted for 16 cycles (80 days). Values are shown as mean (n = 3). Data for cultures before starting ALE (cycle 1) were illustrated in red as cycle 0.8 m2 ]; o/ b: c# M) D t# m l
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6 W0 ]- g0 V' T, s, d" t, DFig. 2. Enrichment analysis on transcriptomes in response to low-pH stress. a: Gene ontology categories of differentially expressed genes (DEGs) (dash line indicates p-value < 0.05). KEGG pathway classifications of DEGs. a: upregulated genes; c: downregulated genes." p4 {* t5 C; x! b
论文链接：
" K& F! ]/ z4 r' m$ chttps://doi.org/10.1126/sciadv.adf5897
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- K+ g3 V; P: q% d7 Y V# n信息来源：浙江大学傅维琦团队。
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