基因編輯技術揭開海洋硅藻密度感知的謎底

近日，中國科學院海洋研究所藻類生理過程與精準分子育種團隊與合作者利用精準基因編輯技術揭示了海洋硅藻對種群密度信號的感知和傳遞機制。研究成果發表在《國際微生物生態學學會雜志》上。

陸地和海洋中的動物會通過聲音、動作、氣味進行信息的交流。海洋中的單細胞微藻也有自己的信息感知和交流方式。硅藻作為地球上最重要的光合生物之一，看似“默默無聞”，硅藻每年固定的有機碳約相當于陸地上所有熱帶雨林固碳的總和，極大地影響生態系統、大氣二氧化碳濃度和全球氣候。環境適宜時，硅藻的迅速增殖會形成藻華。“聰明”的硅藻細胞可以感知種群細胞密度的波動，并據此調整細胞的生理活動，從而影響藻華發生發展過程。此外，細胞密度感知和傳導機理之于微藻產業化的技術迭代至關重要，可為微藻超高密度培養提供理論依據。然而，目前關于藻細胞如何實現密度感知和信號傳遞仍不清晰。

研究團隊聚焦海洋代表性單細胞模型硅藻-三角褐指藻，設計了一個不同細胞密度和光照條件的正交實驗，以激發出不同類型的攜帶密度信息的信號。利用RNA-Seq和加權基因共表達網絡分析，團隊鑒定到了密度依賴性表達模式的四個基因簇。通過結合基因編輯、生理生化實驗和生物信息學分析，團隊進一步鎖定了一個潛在的關鍵基因PtSLC24A。在此基礎上，基于分子遺傳學、細胞生理學、計算結構生物學和大尺度原位海洋數據，團隊進而驗證了PtSLC24A在海洋硅藻種種群密度胞內信號傳遞中的作用。

顯微鏡下的三角褐指藻   海洋研究所供圖

SLC24A介導的種群密度感知和調控機制模式圖   海洋研究所供圖

“我們提出了一種鈣離子介導的海洋硅藻細胞密度信號的胞內傳導機制：當細胞接收到種群密度信號之后，結合在細胞膜上的PtSLC24A蛋白通過加速胞內鈣離子的外流以維持特定的細胞內鈣離子水平，從而將密度信號在胞內傳遞下去，調節包括細胞凋亡在內的生理過程，最終影響種群命運。打個比方，就像人類依靠眼睛看到事物，沒有眼睛的單細胞硅藻則通過鈣離子介導的信號通路感知周圍‘小伙伴'的存在。”論文共同通訊作者、海洋研究所博士顧文輝表示。

論文通訊作者、海洋研究所研究員王廣策說：“這一發現不僅為硅藻藻華暴發時種群動態變化及藻華命運決定機制提供了新見解，也為工業生產中實現微藻的高密度培養提供了新思路。” 

該研究得到了國家自然科學基金、山東省重點研發計劃、國家藻類產業技術體系等項目的支持。

論文相關信息：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae039