国际TOP期刊发文！浙江大学傅维琦团队揭示硅藻耐酸分子机制！

近期，浙江大学傅维琦团队与国内外研究人员合作在Cell旗下综合性期刊iScience发表科研成果《Manipulation of Ion/Electron Carrier Genes In The Model Diatom Phaeodactylum tricornutum Enables Its Growth Under Lethal Acidic Stress》，揭示了铁氧还蛋白（PtFDX）、阳离子/质子逆向转运蛋白（PtCPA）和HCO3-转运蛋白（PtSCL4-2）等三种离子/电子运载蛋白在海洋硅藻抗酸性胁迫中的功能。通过分子克隆和基因工程改造分别获得了三株不同的转基因藻株，这些工程化藻株在可致死的酸胁迫条件下仍能够获得生长。该成果对于应对全球海洋酸化及开发生物固碳技术捕获工业废气二氧化碳具有重要意义。

一、研究背景

目前利用工业烟气进行微藻大规模培养的一个主要障碍是二氧化碳等气体在培养液中产生酸性胁迫极大地抑制微藻生长和代谢。在此前的研究中，我们在低pH环境适应性进化的三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）中鉴定了三个显著上调的基因：铁氧还蛋白（PtFDX）、阳离子/质子逆向转运蛋白（PtCPA）和HCO3-转运蛋白（PtSCL4-2）。其中，PtFDX参与光反应中的电子传递链，制造叶绿体类囊膜两边的质子浓度差驱动ATP合成；PtCPA直接参与细胞内pH稳态的调控；PtSCL4-2通过吸收HCO3-离子对pH内稳态起到缓冲作用。在本研究中，我们将这些基因分别在三角褐指藻中进行过表达基因修饰，以研究它们在抗酸性胁迫（pH 5.0）中的作用。

图1 文章亮点

二、成果讨论

1. 在低pH胁迫条件下的生长和光合效率

在成功筛选到过表达藻株PtFDX-OE10，PtCPA-OE21和PtSLC-OE31后，我们测试了转化子在不同pH条件下的生长特点。在适合硅藻生长的pH值（pH 8.0）下，所有测试藻株的生长速率都相当。当pH值降到5.0时，转基因藻株和野生型（WT）之间观察到显著差异。相比WT在pH 5.0条件下逐渐死亡，所有三个转化子在24小时内均表现出正增长，尽管低pH压力导致PtFDX-OE10、PtCPA-OE21和PtSLC-OE31的最大生长速率分别减少了73.8%、39.9%和49.6%（图 2）。转移至pH 5.0酸性培养基后，所有三个转基因藻株的Fv/Fm值在24小时内均显著下降，表明严重的酸性胁迫导致光合作用受到抑制。然而，转化子的Fv/Fm值仍显著高于WT（p < 0.05），表明在低pH条件下，转基因藻株相比野生型受到的酸性胁迫压力较小（图 3）。

图 2 不同藻株在低pH条件下的生长速率

图 3 低pH对藻株光合作用参数的影响

2. 酸性胁迫对基因表达的影响

为了研究硅藻对酸性pH的分子响应及其提高低pH耐受性的潜在机制，我们对所有藻株在不同条件下做了转录组分析。样品分别在接种培养的起始点（pH 8.0）和低pH处理24小时后（pH 5.0）采集。在酸性胁迫下，转录组结果揭示了三个转基因藻株的共同特征，包括增强的热休克反应、蛋白酶体蛋白分解代谢、伴侣蛋白介导的蛋白质折叠/修复、三羧酸循环、脂肪酸生物合成以及谷胱甘肽代谢等防御机制（图 4）。pH值的下降导致蛋白质错折叠会引发对变性蛋白的重新折叠和降解，以维持细胞功能。此外，TCA循环中酶的普遍上调表明能量需求的增加。另一个对低pH胁迫的共同应答机制是与光捕获相关的基因下调（例如叶绿素结合蛋白），以及与色素生物合成相关的基因下调，该现象在我们之前的适应性实验室进化（ALE）中也有观察到。这些结果提示了一种潜在的硅藻防御策略：通过限制由于过量电子流所导致的ROS生成来应对低pH胁迫。

图 4 低pH胁迫对藻株基因表达的影响

3. 基因修饰对抗逆表型的影响

对转基因藻株和野生型（WT）转录组学数据的进一步比较分析发现，WT和PtFDX-OE10的表达模式相对相似，而PtCPA-OE21和PtSLC-OE31的基因表达与WT显著不同。这些结果表明，PtCPA-OE21和PtSLC-OE31可能具有相似的分子特征，这些特征使它们相比WT和PtFDX-OE10具有更优越的低pH耐受性。对不同藻株的差异表达基因（DEGs）进行检查显示，PtCPA-OE21和PtSLC-OE31中各种跨膜转运蛋白的表达较高。其中，ABC转运蛋白和P型ATP酶可能参与质子的排出和转移。氨转运蛋白和碳酸氢盐转运蛋白（PtSLC4-2的旁系同源蛋白）的增加可以通过吸收碱性化合物如NH3/NH4-和HCO3-来辅助pH控制。差异表达分析还揭示，PtCPA-OE21和PtSLC-OE31中的过氧化物酶系统相对WT表达显著降低，包括过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（AXP）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和超氧化物歧化酶（SOD），从而证实了这些藻株中ROS清除不是一个迫切需求（图 5）。基于这些结果，我们可以提出假设，PtCPA-OE21和PtSLC-OE31通过大量上调能够缓解质子影响的转运蛋白来减少ROS的生成。

图 5 工程化藻株相对野生三角褐指藻的基因差异表达

三、总结

我们在三角褐指藻中过表达了铁氧还蛋白（PtFDX）、阳离子/质子逆向转运蛋白（PtCPA）和HCO3-转运蛋白（PtSCL4-2）。结果表明，转基因藻株能在完全抑制野生型硅藻生长的酸性条件下生长，并表现出改善的光合作用效率和较低的细胞内活性氧水平。其中，PtCPA和PtSCL4-2过表达工程藻株的转录组显示各种跨膜转运蛋白的广泛上调，这可能有助于抵抗过量的外部质子。该研究突出了离子/电子载体基因在增强硅藻抵抗酸性应激中的作用，加深了对浮游植物适应海洋酸化的理解，并为生物固碳和二氧化碳的高效转化提供了一种育种策略。

论文链接：

DOI: https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.110482

• 信息来源：浙江海洋大学。
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