利用螺旋藻（Spirulina）实现可持续的水产饲料开发：对Catla catla鱼生长性能的影响

《Algal Research》：Sustainable aquafeed development using Spirulina: Effects on growth performance of Catla catla

　　硅饥饿导致 Skeletonema dohrnii 细胞周期G2+M期阻滞，转录组分析揭示硅代谢、硅壳重塑、细胞骨架及检查点调控的协同网络。碳代谢增强糖酵解和固碳，抑制三羧酸循环；脂代谢转向多不饱和脂肪酸合成和β-氧化；氮代谢优化利用；硅转运蛋白SIT和壳蛋白frustulin表达上调，与细胞骨架蛋白cingulin协同激活检查点控制，维持生存并促进高附加值化合物合成。

　　

上小梅|李学汉|孙军

中国天津市天津科技大学印度洋生态系统研究中心，300457

摘要

硅藻的生长和壳体形成依赖于环境中的硅酸盐。当硅缺乏时，细胞分裂会受到干扰，并会通过细胞周期停滞作为生存策略。本研究探讨了在硅缺乏条件下Skeletonema dohrnii的表现，发现该物种在G??+?M阶段出现了细胞显著积累的现象。转录组分析揭示了一个协调的调控网络，该网络将硅代谢、壳体重塑、细胞骨架组织以及细胞周期检查点控制联系在一起。硅转运蛋白（SIT）、frustulin、cingulin和细胞骨架相关基因的表达显著上调，同时WEE1和Cyclin B的表达也增加，表明SIT–壳体–细胞骨架–细胞周期检查点轴被激活，这种机制将不完整的壳体形成与G??+?M阶段停滞联系起来。与此同时，碳代谢发生了重组：糖酵解和碳固定过程得到增强以维持能量供应，而TCA循环和乙醛酸循环则被抑制以节省能量。脂质代谢转向脂肪酸生物合成和β-氧化，促进了多不饱和脂肪酸（PUFAs）及其他生物活性脂质的积累。激活的一碳代谢为抗氧化多酚提供了甲基供体，氮代谢途径也得到了优化以实现高效利用。这些发现突显了S. dohrnii在硅缺乏条件下对碳、脂质、氮和硅代谢的协调调控机制，揭示了其适应环境变化的能力以及高价值化合物（如PUFAs、多酚和硫酸化多糖）生物合成的增强过程。

引言

硅藻是一种光合真核微藻，其特征是具有硅质（SiO₂·nH₂O）细胞壁[1]。它们具有广盐性（0.5?‰–37?‰）和广温性（4–25?°C）特性，能够适应从淡水到海洋的各种环境[2,3]。硅藻对全球碳循环和生物地球化学过程至关重要，贡献了约20%的全球初级生产力以及超过40%的海洋初级生产力[4,5]。基因组研究表明，硅藻通过多次水平基因转移事件从绿藻、红藻和细菌中获得了相关基因，从而发展出了独特的代谢途径（如尿素循环），这使其能够在复杂环境中生存[6,7]。这些生态和生理特性使硅藻成为研究其对海洋环境变化响应的理想模型。

硅藻的生长和繁殖依赖于环境中的硅酸盐（Si(OH)₄），这是合成其硅质细胞壁所必需的[8]。除了结构作用外，硅还影响光合色素的合成、细胞分裂、代谢调控和细胞周期控制[9]。然而，海洋硅循环的波动常常导致表层水中的硅含量降低（<2?μM），从而形成硅缺乏区域[10]。硅缺乏会抑制硅藻的生长，影响壳体的形成，导致细胞壁变薄或畸形，进而减弱其机械强度和浮力[8,11]。同时，它还会改变生化组成，促进脂质和碳水化合物的积累，同时抑制蛋白质的合成[12,13]。为了生存，硅藻会通过调节细胞周期进入休眠状态，重新编程代谢途径以应对压力，并在恢复后快速 mobilize 营养物质[9,14]。尽管关于硅缺乏的生理影响已有大量研究，但细胞周期停滞阶段及其代谢途径的变化仍需进一步探索。

海洋硅藻Skeletonema dohrnii是一种在全球湖泊、河口和沿海水域广泛分布的物种，也是重要的有害藻华形成者[15]。在沿海生态系统中，溶解硅酸盐的浓度经常波动，而S. dohrnii的生态可塑性使其能够在这种动态条件下保持竞争优势。这种适应性使其区别于传统的模式硅藻，使其成为研究硅缺乏响应的理想生态模型。然而，其适应硅限制的分子机制仍大多未被探索。

在本研究中，我们进行了转录组测序，比较了S. dohrnii在硅充足和硅缺乏条件下的分子响应，其中硅缺乏导致了明显的细胞周期停滞。分析重点关注了与硅、碳、脂质和氮代谢相关的通路的重编程，旨在阐明这种藻华形成物种如何在细胞周期停滞期间重新分配代谢资源以应对环境压力。我们的发现补充并扩展了先前关于模式硅藻的研究成果，为理解硅藻的应激响应机制提供了新的视角，这对生态模型中的碳-硅耦合以及藻华形成硅藻的潜在生物技术应用具有重要意义。

材料与仪器

S. dohrnii菌株来自山东省青岛市的海域，目前保存在天津科技大学的海洋与环境科学学院。培养条件为25?°C，光照强度为90?μmol photons·m^?2·s^?1，光照周期为12?h:12?h。对照组使用添加了硅（Na₂SiO₃·9H₂O，最终浓度为100?μM）的标准人工海水（ASW）培养基进行培养。

硅缺乏条件下Skeletonema dohrnii的细胞周期停滞

为了研究硅缺乏对Skeletonema dohrnii细胞周期的影响，我们使用流式细胞术和PI染色来测量细胞DNA含量。RNA经RNase消化后，PI荧光强度直接反映了DNA水平，MultiCycle软件用于确定细胞在各个细胞周期阶段的分布。在硅充足条件下培养24小时的对照组中，细胞在各个细胞周期阶段的分布更为均匀。

细胞周期停滞期间碳和硅代谢途径的协调调控

在硅藻中，硅酸的吸收和壳体生物合成通常发生在G?–M期的后期，此时新的硅质壳体在细胞分裂前形成。硅缺乏会中断壳体形成，阻止细胞分裂的完成，导致细胞在G??+?M检查点处发生受调控的停滞，而不是简单的生长抑制[17]。本研究关注的是24小时的时间点，此时硅藻细胞通常会在硅缺乏条件下出现G??+?M停滞[17,18]。这一设计能够捕捉到这一关键过程。

结论

本研究表明，硅缺乏会导致Skeletonema dohrnii进入G??+?M停滞，并引发一系列协调的代谢重编程，将壳体重塑、细胞骨架稳定、细胞周期检查点控制与碳、脂质和氮代谢联系起来。这些调整不仅确保了硅缺乏条件下的生存，还为高价值化合物（如EPA、DHA、硫酸化多糖、GABA和多酚）的积累创造了有利条件。

CRediT作者贡献声明

上小梅：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析、概念构建。李学汉：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、实验研究、数据分析、概念构建。孙军：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据管理、概念构建。

资助

本研究得到了中国自然科学基金（编号：42206087）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。