日本海带（Saccharina japonica）雌性配子体从营养生长向生殖发育转变过程中内源性植物激素的动态变化

《Aquaculture》：Dynamics of endogenous phytohormones during the transition from vegetative growth to reproductive development in female gametophytes of kelp Saccharina japonica

本研究系统分析了雌配子体从营养生长到生殖发育过程中内源性植物激素的动态变化，鉴定出35种激素，发现生长素、细胞分裂素在LSRD阶段显著增加，茉莉酸和水杨酸浓度变化相反，生长抑制激素减少，揭示了激素调控网络，为提高海带种子苗效率和品种选育提供了理论依据。

　　

张玉茹|邢启坤|徐圆圆|刘福丽|高旭

中国海洋大学渔业学院海洋养殖国家重点实验室（教育部），青岛市266003

摘要

日本海带是全球经济价值最高的海藻之一。基于配子体克隆的幼苗培养对于该物种的高效繁殖和杂交育种至关重要。关键在于，如何诱导配子体从营养生长阶段过渡到生殖发育阶段是一个根本性挑战。尽管已经广泛研究了影响这一过程的环境因素，但内源性植物激素的作用仍很大程度上未知。本研究定量分析了四个阶段（营养生长阶段作为对照；早期、中期和晚期生殖发育阶段，分别记为ESRD、MSRD和LSRD）中雌性配子体内的内源性植物激素。共鉴定出35种植物激素。其中，某些激素的类型和含量在对照组和LSRD组之间存在显著差异，而ESRD组和MSRD组则相对相似。此外，不同阶段的激素谱特征也有明显差异。就特定激素类别而言，生长素在所有阶段都占主导地位，并且随着发育进程显著增加；而在LSRD阶段，多种细胞分裂素（CKs）的含量显著上升。茉莉酸和水杨酸的浓度变化则呈现相反趋势。此外，LSRD阶段生长抑制性激素水平的下降表明雌性配子体正在向孢子体阶段过渡。本研究为提高基于配子体克隆的幼苗生产效率和优良品种培育提供了新的理论基础。

引言

日本海带自然分布于西北太平洋沿岸地区，在中国、韩国和日本等亚洲国家广泛栽培（Dai, 2002; Wang et al., 2020; Xu et al., 2025）。2023年全球海带产量超过1300万吨（FAO, 2026）。在海藻养殖业中，优良品种和健康后代是提高产量的关键。利用配子体克隆进行新品种培育已成为日本海带遗传改良的新方法（Li et al., 1999）。这种方法的核心优势在于能够通过单倍体配子体的无性繁殖永久保存和扩增优良个体的基因型，从而产生具有高遗传一致性和性状稳定性的育种材料（Fang et al., 1978; Li, 2003）。然而，这一技术的成功应用高度依赖于一个关键步骤：高效且同步地诱导这些缓慢生长的配子体克隆完成生殖发育，形成配子并最终产生孢子体（Sai et al., 2022）。目前，配子体克隆的诱导过程仍面临挑战，包括发育速率低和发育不同步等问题（Wang, 2021）。这些问题的根本原因在于我们对调控配子体从营养生长向生殖发育转变的关键诱导因素，特别是核心内源性信号分子的理解尚不充分。

尽管最近在理解调控配子体生殖发育的外源条件方面取得了显著进展，包括优化光照、温度、营养比例、盐度、铁和接种密度等关键环境参数（Lüning and Dring, 1972; Lüning and Dring, 1975; Martins et al., 2017; Augyte et al., 2019; Chen et al., 2022; Zhang et al., 2022b; Wang et al., 2023; Veenhof et al., 2025），但我们对调控配子体从营养生长向生殖发育转变的内源性信号分子的了解仍然有限。最新研究表明，植物生长调节剂（也称为植物激素）可能是控制日本海带从营养生长阶段向生殖阶段转变的关键调控分子（Uji and Mizuta, 2022）。具体而言，脱落酸（ABA）和吲哚-3-乙酸（IAA）参与了日本海带孢子体的生殖过程。Nimura和Mizuta（2002）报告称，孢子囊中的内源性ABA水平大约是营养组织的五倍，而外源施用10^?5?M的ABA可以抑制营养生长。此外，内源性ABA水平与日本海带孢子体的生长速率呈负相关，表明ABA具有抑制营养生长的作用（Schaffelke, 1995a; Schaffelke, 1995b）。同时，其他植物激素如二氢玉米素（DZ）、异戊烯基腺嘌呤（iP）、异戊烯基腺苷（iPR）、水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）及其衍生物也通过浓度变化影响孢子囊的形成（Liu, 2022）。这些发现为深入理解植物激素在海藻生殖中的调控作用提供了重要线索。

在维管植物中，多种植物激素（如赤霉素、油菜素内酯（BR）、茉莉酸（JA）和乙烯）之间的相互作用在调控花序转变过程中起着关键作用，这一过程涵盖了从营养生长到生殖阶段的发育转变（Li et al., 2024）。在拟南芥中，细胞分裂素（CKs）或其受体在雌性配子体发育中是必需的（Kinoshita-Tsujimura and Kakimoto, 2014）。同样，生长素的导入和局部生物合成对于雌性配子发生过程中的有丝分裂、细胞扩张和细胞分化至关重要（Panoli et al., 2015; Terceros et al., 2020）。在红藻Pyropia pseudolinearis中，乙烯前体ACC促进了雌雄配子体的精囊和单性孢子囊的形成（Yanagisawa et al., 2019）。在Neopyropia yezoensis中，补充ACC可以增强乙烯的释放（Uji et al., 2016），表明乙烯可能在Pyropia或Neopyropia的生殖过程中起作用。然而，作为早期多细胞生物的一个独特演化分支，褐藻中内源性植物激素调控机制的保守性仍不明确。尽管已经初步研究了日本海带孢子体内的内源性植物激素（Liu, 2022; Cui et al., 2025），但在配子体从营养生长向生殖发育转变过程中不同植物激素的类型及其时间动态仍不清楚。这一知识空白阻碍了日本海带精准育苗技术的突破，并限制了海藻养殖业的效率。

本研究采用了日本海带雌性配子体的单克隆培养，结合了基于LC-MS/MS的目标代谢组学技术和形态学定义的阶段特异性采样方法。需要注意的是，本研究使用的是进行孤雌生殖的雌性配子体，这一过程绕过了受精步骤。虽然该系统允许在不受雄性配子或受精事件干扰的情况下研究雌性特有的发育程序，但正常形成孢子体的受精配子体中的植物激素动态可能有所不同，需要未来的比较研究。本研究旨在阐明雌性配子体从营养生长向生殖发育过程中内源性植物激素的动态变化，并揭示植物激素与配子体生殖发育之间的功能关系。这些发现有望加深对雌性配子体生殖过程中植物激素调控机制的理论理解，并为日本海带的高效人工育苗提供科学基础和技术策略。

藻类材料及培养条件

2022年5月，从中国北方荣城（37.16°N, 122.57°E）收集的一个栽培孢子体中分离出了日本海带的雌性配子体材料。该分离株被建立为单克隆培养，并保存在中国海洋大学海洋遗传与育种国家重点实验室的藻类种质库中。保存条件如下：环境温度4?°C，红光，低光照强度（< 9?μmol/m²/s），以及氮气

不同阶段雌性配子体的发育状态

四个阶段雌性配子体的发育形态如图1所示，图2详细说明了细胞组成（卵母细胞、卵细胞和幼小孢子体）的比例。在对照阶段（分裂后的第0天，图1a），雌性配子体由3–5个细胞组成的片段构成。在ESRD阶段（培养后的第11天），部分配子体细胞发生了形态变化，表现为整体增大

讨论

本研究首次系统地描述了日本海带雌性配子体从营养生长向生殖发育过程中内源性植物激素谱的动态变化。共鉴定出35种植物激素，其中20种的含量在不同阶段存在显著差异。这些发现表明，作为早期多细胞演化谱系的代表，日本海带已经演化出了独特的

结论

本研究全面分析了日本海带雌性配子体从营养生长向生殖发育过程中内源性植物激素的动态变化。我们揭示了这种发育转变与35种植物激素水平之间的相关性，并确定了每个阶段的特征性激素谱。营养生长阶段以CIPC、IAAsp、GA8和6-BA为主导，而早期生殖阶段则以UCZ为主

作者贡献声明

张玉茹：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据可视化，方法学设计，概念构思。邢启坤：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿。徐圆圆：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿。刘福丽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，资金获取。高旭：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，资金获取。

未引用的参考文献

Berens et al., 2017

Fletcher et al., 2000

Hou and Tsuda, 2022

Liu et al., 2015

Mok and Mok, 2001

Nafees et al., 2010

Oliw and Hamberg, 2017

Shigenaga et al., 2017

Zhang et al., 2007

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了山东省重点研发计划（2025CXPT148；2025LZGC010）、山东省泰山学者基金会（编号tsqn202211067）以及中央高校基本科研业务费（编号202262002）的支持。