协调的光合作用、代谢过程以及脂质重塑机制是新型Gracilariopsis lemaneiformis品种耐热性的基础

《Algal Research》：Coordinated photosynthetic, metabolic, and lipid remodeling underpins heat tolerance in the novel cultivar of Gracilariopsis lemaneiformis

本研究通过整合生理、生化及转录组学方法，比较了高温胁迫下经济海藻Gracilariopsis lemaneiformis NB-18与parental 981菌株的响应机制。结果表明，NB-18在生长、光合效率和抗氧化能力方面更具优势，其热耐受性通过上调psbA、HSP70/HSP90、PFK等基因实现，为分子育种提供了新标记。

　　

孙思琪|张萌|顾丹|邓东阳|江建安|张浩|徐年军

中国宁波大学海洋科学学院，教育部水产生物技术重点实验室，315211

摘要

高温显著限制了经济价值较高的海藻Gracilariopsis lemaneiformis的养殖。为了揭示其耐热性的生理和分子基础，我们使用综合生理、生化和转录组学方法，将新选出的耐热菌株NB-18与广泛种植的亲本菌株981在控制温度（23°C）和高温（33°C）条件下进行了比较。结果表明，在热胁迫下，NB-18的相对生长率显著高于981，且形态损伤更小。它保持了光合效率（F_v/F_m和F_v′/F_m′），积累了更多的可溶性糖和蛋白质，并且脂质降解减少。相比之下，981表现出明显的光抑制和代谢紊乱。RNA-seq分析显示，NB-18激活了一个协调的耐热程序，涉及psbA（D1蛋白修复）、HSP70/HSP90（蛋白质重折叠和ROS控制）、PFK和SCS（能量代谢）以及FAB2（脂肪酸去饱和）的上调。这些协同的转录反应与光系统II的稳定、细胞氧化还原平衡的维持和膜流动性的保持有关。这些基因共同构成了一个耐受性网络的关键组成部分，使NB-18能够在热胁迫下维持细胞稳态和整体生理韧性。比较分析进一步表明，NB-18依赖于一种主动的调控策略，转录扰动有限，而981则表现出反应性和耗能的响应。本研究阐明了G. lemaneiformis耐热性的综合分子网络，为耐热性菌株的标记辅助育种提供了新的见解（psbA、HSP90、FAB2）。

引言

Gracilariopsis lemaneiformis是中国一种经济价值较高的海藻，广泛用于琼脂提取和鲍鱼饲料[1]、[2]。它还有助于维持综合水产养殖系统的生态平衡[3]。近年来，该物种的种植面积和产量稳步增加，2024年的产量达到了620,484吨。然而，海洋温度上升和海洋热浪频发对沿海生态系统产生了不利影响，缩短了海藻的养殖周期[4]、[5]。因此，热胁迫已成为中国南海G. lemaneiformis养殖的主要限制因素。在这些浅海养殖区，夏季严重海洋热浪期间海表温度经常超过30°C[6]。因此，为了延长其养殖周期并提高经济效益，提高G. lemaneiformis的耐热性至关重要。

野生G. lemaneiformis的适宜温度范围为10–23°C，这限制了其在温暖水域的大规模养殖[7]。经过数十年的驯化和野生种群筛选，第一个耐高温的“981”菌株被开发出来，并在中国南海沿岸广泛种植[8]。由于温度限制，G. lemaneiformis通常不在一个地区全年种植，而是采用南北交替的养殖系统，夏季在北部地区种植，其他季节在南部地区种植[6]。为了支持可持续产业发展并延长养殖周期，我们的研究团队通过紫外线诱变、羟脯氨酸筛选和高温筛选从981中产生了“NB-18”菌株。与981菌株相比，NB-18具有更深的色素沉着、更长的藻体长度和更丰富的侧枝（图S1）。此外，据报道NB-18具有独特的风味[9]。然而，其优越耐热性的具体遗传变异及其导致的调控变化仍不清楚。

高温通过损害光合作用、增加氧化应激和扰乱代谢来干扰大型藻类的生理活动[10]、[11]。例如，当野生G. lemaneiformis在30°C下培养7天时，多相叶绿素荧光瞬变（OJIP）的瞬时荧光强度下降，表明高温对光合作用生理有影响，而抗氧化酶（SOD、CAT、APX）的活性显著上调[12]。在短期高温和不同光照强度下，G. lemaneiformis会发生糖脂重塑（MGDG/DGDG比例的变化和脂肪酸不饱和），以保持类囊体膜的流动性，这与维持光系统功能有关[13]。此外，长期培养或驯化的品系在温度阈值、氧化损伤标志物和热休克反应方面存在差异，表明不同品系在耐热性方面具有明显的特异性[14]、[15]。

仅依靠生理测定不足以解析应激反应机制。近年来，包括转录组学在内的组学技术在藻类研究中得到广泛应用，可以揭示耐热性的基因调控程序[16]、[17]。在G. lemaneiformis中，外源性L-精氨酸可以减轻热损伤，并诱导HSP70/HSP90、抗氧化防御和应激响应转录因子的表达，使基因水平的改变与生长和色素维持的改善相一致[18]。在Pyropia haitanensis中，耐热和敏感菌株之间的比较转录组学显示，高温引发了两种藻株不同的表达模式：耐热菌株能够维持或增强能量代谢、抗氧化系统和磷脂酰肌醇信号转导的活性以抵抗热胁迫，而在敏感菌株中这些过程显著减弱[19]。然而，不同G. lemaneiformis菌株对高温胁迫的响应的比较转录组学分析尚未进行。

理解热适应机制对于培育耐热性品种至关重要。在这项研究中，我们将新开发的G. lemaneiformis菌株（NB-18）与传统的981菌株在23°C和33°C下进行了比较，以探索它们在耐热性方面的差异。通过综合生理、生化和转录组学分析，阐明了它们在热胁迫下的适应和调控机制。结果表明，NB-18采用了一种主动且节能的调控策略，使其能够在高温下保持更稳定的生理和代谢表现，而981则表现出反应性和耗能的响应。这项工作丰富了我们对G. lemaneiformis耐热性分子基础的理解，为未来高度耐热性菌株的分子育种提供了重要见解。

节选内容

藻类材料及培养条件

本研究使用了两种G. lemaneiformis菌株。菌株“981”采集自中国福建霞浦（26°39′ N, 119°39′ E），而菌株“NB-18”则来自中国浙江宁波（29°34′ N, 121°46′ E）。“NB-18”是通过981四孢子体的紫外线诱变，并经过连续的羟脯氨酸抗性、耐热性和田间表现筛选而开发出的新品种。到达实验室后，所有样本均用无菌水彻底冲洗

G. lemaneiformis对热胁迫的表型和光合作用响应

在23°C下，NB-18的RGR显著高于981（图1A）。这一固有的生长优势在田间栽培试验中得到了进一步验证（平均每日海表温度为15.4–23.2°C），NB-18的RGR（9.37%·d^?1）高于981（8.38%·d^?1）（图S4）。高温暴露后，两种菌株的RGR均显著下降（981下降了51.9%，NB-18下降了49.2%；图S5）。形态观察进一步表明

讨论

夏季的高温是中国南方G. lemaneiformis养殖的主要限制因素，限制了生长并缩短了收获周期。以往的研究主要采用突变育种和植物激素处理等方法来提高G. lemaneiformis的耐热性。结果表明，耐热菌株在高温环境下能够保持更高的光合性能和更强的抗氧化能力。

结论

本研究表明，NB-18对高温胁迫的耐受性明显优于981。在高温下，NB-18保持了更高的生长率，更稳定的藻体形态，并更好地维持了光合性能。生化分析进一步显示，NB-18的可溶性蛋白含量降低较少，抗氧化酶的激活更为平衡，并积累了更高水平的可溶性糖和有益脂肪酸。

CRediT作者贡献声明

孙思琪：写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，数据可视化，概念构思。张萌：撰写原始稿件，数据可视化，调查。顾丹：资源获取，方法学研究，调查。邓东阳：调查，数据管理。江建安：数据可视化，方法学研究。张浩：写作 – 审稿与编辑，数据可视化，项目监督。徐年军：写作 – 审稿与编辑，项目监督，

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了DeepSeek来改进语言表达。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号32002376）的资助。同时得到了宁波科技创新重点计划（编号2023Z18、2022Z172、2019B10009）和宁波公益项目（编号2022S200）的支持。作者感谢K.C. Wong教育基金会，香港的支持。