微藻对细菌群体感应信号的生化组成动态变化及基因表达响应

《Bioresource Technology Reports》：Microalgal biochemical composition dynamics and gene expression in response to bacterial quorum sensing signals

　　沙赫拉·拉德梅尔（Shahla Radmehr）| 约翰娜·M·林塔-坎托（Johanna M. Rinta-Kanto）| 维勒·桑塔拉（Ville Santala）| 米卡·曼塔里（Mika M?ntt?ri）
拉彭兰塔-拉赫蒂理工大学（Lappeenranta-Lahti University of Technology）工程科学学院分离科学系

**摘要**
微藻因其能够积累高价值代谢物（如脂质和多糖）而成为生物燃料和生物制品的潜在资源。为了提高这些目标生物制品的产量，一种新兴策略是利用细菌的群体感应信号（Quorum Sensing Signals, QSSs）作为跨界的信号来引导藻类代谢，而不是仅仅依赖胁迫处理或基因修饰，因为后者可能会减缓生长或导致调控限制。N-酰基高丝氨酸内酯（N-Acyl Homoserine Lactones, AHLs），尤其是在活性污泥中存在的那些，是能够重新编程微藻代谢的天然信号分子。然而，这些信号对转录组的影响以及不同物种的特异性响应仍知之甚少。在这项研究中，三种模式微藻菌株——莱茵哈德藻（Chlamydomonas reinhardtii）、普通小球藻（Chlorella vulgaris）和四尾沼泽藻（Scenedesmus quadricauda）——被暴露于纯N-己酰-L-高丝氨酸内酯（C6-HSL）和来自活性污泥的AHLs中，以评估其代谢导向的潜力。转录组学和表型分析揭示了不同物种对AHLs的特异性代谢响应。在普通小球藻和四尾沼泽藻中，脂肪酸合成基因上调，支持了脂质的增加；而莱茵哈德藻则将部分碳流重新定向到多糖生物合成。莱茵哈德藻的脂质含量增加了高达26%，多糖增加了45%。四尾沼泽藻显示出最高的脂质积累增加，达到了33%。同时，C6-HSL处理导致莱茵哈德藻和普通小球藻的基因表达发生显著变化，特别是TCA循环和DNA复制基因的抑制，这与能量保存的倾向一致。相比之下，四尾沼泽藻的转录变化最小，表明其代谢稳定性更高。此外，AHLs还促进了微藻的聚集，可能有助于生物量的收集。这些发现突显了利用微生物信号来调控藻类代谢产出的潜力。

**1. 引言**
微藻生物量在多种应用中具有巨大潜力，包括生产生物塑料、饲料/食品补充剂和生物燃料（Rajpoot等人，2022年；Udayan等人，2021年）。不同微藻细胞的效用与其生物量的组成有关，特别是蛋白质、脂质、多糖和色素的含量（Wu等人，2021年）。这些组成因微藻菌株和培养条件的不同而异。一些选定的微藻菌株，如四尾沼泽藻、莱茵哈德藻、普通小球藻和杜氏藻（Dunaliella），可以积累超过其干重20%的多糖（Gouda等人，2022年）。近年来，微藻多糖因其在食品、化妆品和健康领域的广泛应用而受到关注（Caetano等人，2022年）。微藻的脂质含量也非常显著，某些物种的表现优于传统油料作物，如大豆、向日葵和玉米（Udayan等人，2023年）。像普通小球藻和莱茵哈德藻这样的微藻以其干重10%至30%的脂质含量而闻名（Deshmukh等人，2019年；Ferreira等人，2019年）。微藻脂质主要包含三酰基甘油酯，这是一种通过三种脂肪酸与甘油酯化形成的非极性脂质。微藻细胞含有多种脂肪酸，包括短链、中链和长链脂肪酸。此外，还发现了多不饱和脂肪酸（Polyunsaturated Fatty Acids, PUFAs），如二十二碳五烯酸和二十碳五烯酸，它们在食品工业中起着关键作用（Mangope等人，2025年）。

微藻被认为是生产脂质的理想原料，但其大规模应用受到低生产力和难以增加脂质积累的限制（Sreelakshmi和Arunkumar，2025年）。为了提高微藻生物量中特定生物分子（包括脂质和多糖）的产量，已经研究了多种方法，如pH值调整、碳源改变、代谢工程以及光照强度和光周期的变化（Behera等人，2021年）。Adams等人（2013年）表明，将微藻置于胁迫条件下，例如限制营养物质的可用性（特别是氮），可以增加微藻生物量中宝贵生物分子的产量。然而，需要进一步的研究来确定更有效的策略来优化不同微藻物种中的生物分子生产。

群体感应信号（Quorum Sensing Signals, QSSs）是介导细菌细胞间通信的小分子（Mukherjee和Bassler，2019年）。N-酰基高丝氨酸内酯（AHLs）也存在于活性污泥中，是革兰氏阴性细菌中特征明确的QSSs，并逐渐被认作可以重新编程微藻代谢并刺激脂质生产的关键跨界信号（Coolahan和Whalen，2025年；Zhang等人，2018年）。此外，最近的综述总结了QSSs如何改变微藻的生长和代谢，作为光合作用的直接效应因子、细胞周期的调节剂以及杀藻或促进生长的相互作用调节剂（Dow，2021年）。宏基因组学和反应器规模的研究进一步表明，QSSs在藻类系统中富集，并能显著影响藻类-细菌共生体在废水处理中的表现（Wu等人，2022年）。除了这一生态作用外，多项实验研究表明，外源AHLs或来自污泥的QS提取物可以增强藻类-细菌共生体中的营养物质去除（Lyu等人，2022年）。这些研究支持这样的观点：QSSs，包括活性污泥中的AHLs，可以作为天然的跨界代谢触发因素，影响微藻的生长和储存代谢。

然而，尽管取得了这些进展，仍存在几个关键空白。大多数研究主要将QSSs视为胁迫因素，并关注总体响应，如生长、总脂质含量、营养物质去除和絮凝作用，而对这些天然代谢触发因素如何重组藻类的中心代谢和储存途径了解有限。此外，缺乏描述不同微藻对AHLs响应的比较性、物种特异性的转录组数据，以及这些转录程序如何影响碳分配到脂质和多糖储存中的机制也不清楚。由于QSSs可以影响光合作用、碳分配、胁迫响应和细胞周期控制等不同途径，因此需要进行转录组分析，以捕捉它们引起的系统范围的重编程，识别在每个物种中差异参与的代谢途径和调控模块。在这里，我们将QSSs概念化为细菌用来重新编程藻类代谢的分子语言。本研究的新颖之处在于整合了不同微藻物种的代谢和转录组分析，以确定这些信号如何驱动特定物种的脂质和多糖积累以及聚集行为，而不仅仅是基于总体化学分析所能推断的。

在这项研究中，三种广泛培养的微藻菌株——普通小球藻（Chlorella vulgaris）、莱茵哈德藻（Chlamydomonas reinhardtii）和四尾沼泽藻（Scenedesmus quadricauda）——被暴露于纯C6-HSL和从活性污泥中提取的天然AHLs。假设是AHL暴露诱导了物种特异性的转录组重编程，使中心碳代谢重新定向到不同的储存结果（脂质与多糖积累）。通过分析多糖、脂质和脂肪酸谱型的详细变化，我们揭示了QSSs如何作为跨界的、与胁迫相关的信号，以物种特异性的方式重新编程代谢产物的生产和聚集行为。重要的是，整合的mRNA表达分析在基因组水平上展示了AHL暴露如何从根本上重新连接关键代谢途径，从而在不进行任何基因修饰的情况下增强有价值化合物的合成。AS-AHLs的环境相关使用直接模拟了废水中存在的天然化学信号，提供了一种实用且低投入的策略，可以可持续地提高高价值代谢物的产量，同时提高大规模藻类生物工艺中的收获效率。

**2. 材料与方法**
**2.1. 微藻培养和生长测量**
微藻细胞（普通小球藻、莱茵哈德藻和四尾沼泽藻）在TAP（Tris–acetate–phosphate）培养基中培养，pH值为7，温度为23–24°C，培养时间为6天，然后以5000 rpm的速度离心5分钟。选择这些微藻细胞是因为它们是生物燃料和生物制品研究的模式物种，代表了不同的系统发育谱系和细胞形态，并且常用于废水和藻类-细菌系统中，因此对基础和应用研究都非常重要（Mohamed等人，2025年；Scranton等人，2015年；Sun等人，2025年）。随后，收获的生物量被洗涤并重新悬浮在高压灭菌的TAP培养基中。通过使用UV/VIS分光光度计在750 nm处测量光密度（OD750）来评估细胞生长。计算莱茵哈德藻、普通小球藻和四尾沼泽藻在对照组、C6-HSL和AS-AHL处理下的特定生长率（μ）和生物量生产力（P），公式为μ = ln(X?/X?)/(t?–t?) 和 P = (X?–X?)/(t?–t?)，时间跨度为6天。

**2.2. 实验方案**
活性污泥取自芬兰拉彭兰塔的一家污水处理厂的曝气池。N-酰基高丝氨酸内酯的提取方法如Wang等人（2017年）所述。简要来说，将500 ml活性污泥以5000 rpm的速度离心15分钟。然后，将上清液与等体积的酸化乙酸（0.1% acetic acid）混合，并在4°C下超声处理20分钟。这种混合物充分混合24小时后，静置15分钟。收集上层液体并使用液氮干燥。提取的样品通过高效液相色谱（HPLC，Agilent）和DAD检测器在210 nm处进行分析。使用的柱子是Phenomenex Kinetex 2.6 μm，C18 100 ?（150 × 3 mm）。使用线性梯度洗脱（MeOH+0.1% Acetic acid），流速为0.2 mL/分钟。为了进一步测试纯QSSs对微藻菌株的影响，使用了C6-HSL（N-己酰-L-高丝氨酸内酯，Sigma）。根据HPLC定量结果，将AS-AHL提取物标准化并稀释至最终工作浓度，相当于藻类培养物中的5 μM C6-HSL。选择C6-HSL是因为它是活性污泥和废水系统中的主要AHL（Wang等人，2022年），这突显了其成本效益生产的潜力。此外，其中链长度在膜渗透性和溶解性之间提供了良好的平衡，使其在实验上具有稳健性，先前的研究也表明C6-HSL可以增强微藻中的营养物质去除和促进脂质生产（Lyu等人，2022年），支持其在本研究中的选择。样品中补充了5 μM C6-HSL。这个剂量是基于先前研究报告在该浓度范围内可测量到微藻响应的选择（Zhang等人，2018年）。不含任何QSSs的莱茵哈德藻培养物标记为Chlamy-P。含有纯C6-HSL的培养物命名为Chlamy-C6，而含有从活性污泥中提取的AHL的培养物命名为Chlamy-AS。同样的命名规则也用于普通小球藻（ChlP、ChlC6和Chl-AS）和四尾沼泽藻（ScP、ScC6和Sc-AS）。所有实验方案均重复三次。

**2.3. 微生物附着分析**
为了评估QSSs对微藻附着潜力的影响，将所有培养物中的20 mL生物量转移到培养皿中。培养皿在30°C下孵育24小时。孵育后，从培养皿中取出生物量，用蒸馏水洗涤三次，然后在60°C下干燥30分钟。随后，向每个培养皿中加入0.1%（w/v）结晶紫溶液并静置15分钟。然后用蒸馏水冲洗培养皿。使用Olympus显微镜观察附着的微生物。

**2.4. 多糖和脂质测定**
称取大约2–3 mg的干生物量，并加入4 ml 0.9% NaCl溶液进行均质化。样品在100°C下孵育15分钟，然后离心。收集上清液，使用硫酸-酚法（DuBois等人，1956年）测定多糖含量。采用改进的Bligh和Dyer方法进行总脂质提取。将大约2 mg的干微藻生物量悬浮在10 mL氯仿和甲醇（1:2比例）的混合物中，并在冰上超声处理30分钟（Iverson等人，2001年）。随后，向试管中加入3.4 mL氯仿和3 mL水，再超声处理10分钟。提取下层液体，并将已知体积转移到预先称重的托盘上。样品经过蒸发和干燥后称重以确定可回收的脂质含量。脂肪酸使用氯仿–甲醇（2:1 v/v）和甲醇–硫酸（1%）提取，并使用Shimadzu QP2010-Ultra GC–MS进行分析。

**2.5. 使用共聚焦显微镜观察细胞内叶绿素和脂质**
为了观察有无AHL的微藻细胞内的叶绿素和脂质成分，使用了共聚焦激光扫描显微镜（Zeiss LSM 710）。叶绿素的观察基于其自荧光，在40×放大倍数下进行。叶绿素的激发使用633-nm激光，观察范围为647至743 nm（发射）。对于脂质的观察，样品用尼罗红（Nile Red，ε: 38000 cm?1 M?1）染色。具体来说，将100 μL样品与100 μL 1 μg/mL的尼罗红在1:1（体积/体积）DMSO:水溶液中混合。然后在37°C下孵育15分钟。尼罗红染料使用533-nm激光激发，观察范围为530–570 nm。RNA提取、测序和生物信息学

从纯微藻细胞以及用C6-HSL处理过的微藻细胞中提取RNA后，使用Zymo试剂盒进行操作，然后将样本送往Novogene公司在干冰条件下进行测序。Novogene公司使用poly-T磁珠纯化mRNA，对其进行片段化，并利用随机六聚体引物合成cDNA。制备了定向（dUTP）或非定向（dTTP）文库，并通过Qubit和实时PCR进行定量分析。这些文库被合并后，在Illumina平台上进行测序，生成配对末端读取序列。原始测序数据以FASTQ格式处理，以去除接头序列、poly-N序列和低质量读段，从而获得可用于后续分析的干净数据。使用Trinity软件进行转录组组装，随后使用CORSET去除冗余序列。最后，利用BUSCO对转录组的基因完整性进行定量评估。基因表达水平通过RSEM进行量化。差异表达分析使用DESeq2软件进行（包含重复实验）。P值小于0.05的数据被标记为差异表达基因。

3. 结果

3.1 微藻的生长速率和附着情况

图S1（支持信息：生长曲线）显示了纯C6-HSL和活性污泥提取的AHLs（AS-AHLs）对三种微藻——Chlamydomonas、Chlorella和Scenedesmus生长速率的影响。图S1a表明Chlamy-P和Chlamy-C6的生长速率相似（P > 0.05，t检验）。然而，暴露于AS-AHLs会延迟静止期，并且在第6天显著抑制其光密度（P < 0.05，t检验）。所有Chlorella培养瓶（图S1b）无论是否含有AHLs，在第4天都达到了静止期。但在含有C6-HSL和AS-AHLs的培养瓶中，Chlorella的生长速率显著降低（P < 0.05，t检验），其中AS-AHLs的影响更为明显。此外，生长结果还显示Scenedesmus与其他微藻的生长趋势有所不同。与Chlamydomonas和Chlorella的情况相反，C6-HSL和AS-AHLs对Scenedesmus的生长速率没有显著影响（P > 0.05，t检验）。表S1总结了6天内的具体生长速率（μ）和生物量生产率（P），证实C6-HSL和AS-AHLs降低了Chlamydomonas和Chlorella的μ和P，而Scenedesmus的这些数值与其他两种微藻相比基本保持不变。聚集结果（支持信息（图S2）显示了微藻在培养皿表面的附着情况。观察发现，在C6和AS-AHLs的存在下，所有三种微藻的附着都增加了。值得注意的是，Scenedesmus在AS-AHLs存在下的附着程度明显高于C6-HSL。除了在AHL处理下观察到的聚集增加外，三种微藻株均未出现其他明显的形态变化。

3.2 多糖在群体感应（QSSs）处理下的变化

图1显示了在不同AHL条件下微藻培养物中的多糖含量。在Chlamydomonas中（图1a），AHLs的存在导致多糖积累增加。而在未添加AHLs的Chlamy-P培养物中，6天后多糖含量略有下降。到第6天时，Chlamy-AS和Chlamy-C6的多糖含量分别增加了约45%和15%。对于Chlorella（图1b），Chl-C6和Chl-AS的多糖含量相近，比Chl-P低约30%。AHLs对Scenedesmus的影响与Chlorella类似，也导致了多糖积累的减少。

3.3 脂质在QSSs处理下的变化

在Chlamydomonas中，添加纯C6-HSL和AS-AHLs后，第3天的脂质积累分别增加了约20%和17%（与纯培养相比）；到第6天时，纯C6-HSL组中的脂质含量比纯培养高出约26%。在Chlorella中，第3天C6-HSL处理导致脂质积累减少了16%，而AS-AHLs则略微促进了脂质积累。在Scenedesmus中，C6-HSL和AS-AHLs处理均使脂质积累持续增加。这些发现突显了AHL处理对不同微藻种类的特异性影响。

3.4 不同QSSs处理下微藻细胞的脂肪酸谱

表S2（支持信息：脂肪酸谱）详细列出了第6天不同QSSs处理下微藻细胞的脂肪酸谱。在Chlamydomonas中，AS-AHL处理导致饱和脂肪酸（C16:0）含量显著增加（从23.7%升至34.4%），而单不饱和脂肪酸（MUFAs）如C18:1N9t的比例下降，表明在AS-AHLs影响下脂质谱向饱和方向转变。对于Chlorella，添加QSSs后饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸（PUFAs）的比例均下降，而MUFAs如C18:1的比例上升。在Scenedesmus中，C6-HSL和AS-AHL处理均导致饱和脂肪酸比例略有变化。

3.5 共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像

图3显示了第4天不同微藻培养物（Chlamydomonas、Chlorella和Scenedesmus）在有/无群体感应信号条件下的情况。共聚焦激光扫描显微镜图像显示，无论是否添加QSSs，微藻细胞内均含有叶绿素和三酰甘油（TAG）。在纯微藻培养物中，某些细胞含有少量TAG。当引入QSSs后，这些细胞中的TAG信号（黄色，部分用白色虚线圆圈表示）增强，而叶绿素信号（红色）减弱。这一现象与图2的结果一致，表明QSSs的存在可能促使细胞在生长受阻时储存化合物。

3.6 RNA测序结果

图4展示了用C6-HSL处理的三种微藻与对照组样本的基因本体（GO）分析，以确定C6-HSL作为跨界信号如何影响微藻的基因表达，以及这些变化如何与实验观察结果相对应。

3.7 微藻细胞中差异表达基因的基因本体富集条形图

图4a显示了用C6-HSL处理的Chlamydomonas与对照组样本的GO富集条形图。值得注意的是，一些参与碳水化合物代谢的基因在C6-HSL处理后表达增加，如葡萄糖胺-6-磷酸异构酶（?log(padj) = 4.7）、磷酸葡萄糖变位酶（?log(padj) = 2.9）和1,3-β-葡聚糖合酶（?log(padj) = 6.3），这些基因与糖酵解和糖基化途径相关。这些基因产生的中间产物如葡萄糖-6-磷酸有助于多糖的合成。此外，多糖脱乙酰酶的表达增加，表明细胞壁修饰增强，从而增强了细胞保护作用。C6-HSL诱导的这些途径中的碳水化合物代谢通量增加，可能促进了处理样本中多糖的积累，这与第3.2节的结果一致。图4a还显示，核糖体生物合成的整体表达在C6-HSL处理后增强。然而，与40S和60S核糖体蛋白相关的基因表现出上调和下调，表明翻译重编程较为复杂。上调的基因包括应激相关蛋白如HSP70伴侣蛋白（例如GRP78/BiP和GRP75/mortalin；?log(padj) = 3.9），这些蛋白参与蛋白质折叠，且已知具有耐寒性。此外，半胱氨酸脱硫酶（?log(padj) = 17.3）的表达也增加，该酶与线粒体功能和氧化应激抵抗相关。相反，一些核糖体相关基因的表达下调，包括纤维蛋白（?log(padj) = 23.6）、uL4m（?log(padj) = 22.2）和rRNA甲基转移酶（?log(padj) = 18.5），这些基因对rRNA修饰和核仁核糖体组装至关重要。抗氧化活性相关的基因也表现出上调。

3.8 C6-HSL对Chlorella基因表达谱的影响

图4b显示了C6-HSL对Chlorella基因表达谱的影响。上调的基因包括与催化和水解活性相关的基因，这些基因可能促进酶促过程和蛋白质周转及修饰。此外，Chlorella中囊泡介导的运输基因表达也增加，如囊泡外壳蛋白Clathrin重链（?log(padj) = 5.1）、COPI（?log(padj) = 10.2）和COPII（?log(padj) = 8.9），这些蛋白参与货物运输。然而，一些对代谢和结构完整性至关重要的基因表达下调，如核糖体结构和生物合成相关基因以及与类囊体相关的基因。此外，C6-HSL处理还降低了与碳水化合物代谢过程相关的基因表达。

3.9 TCA循环和脂肪酸生物合成基因的调控

图5a展示了TCA循环和脂肪酸生物合成途径中的关键基因。转录组分析（支持信息表S3a）显示，C6-HSL处理主要下调了Chlamydomonas中的TCA循环基因，尤其是关键酶的表达显著降低。表S3a显示琥珀酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶的表达降低，表明电子传输和TCA循环通量显著减少。柠檬酸合酶作为关键入口酶，其表达也显著降低。相比之下，苹果酸脱氢酶的表现则复杂，有两个基因表达上调，一个基因表达下调。对于Chlorella，苹果酸脱氢酶和2-氧代戊二酸脱氢酶的表达也降低。而在Scenedesmus中，C6-HSL处理导致脂质积累增加。

3.10 C6-HSL对Chlorophyta和Scenedesmus的影响

图5b和图5c分别展示了C6-HSL对Chlorophyta（Chlamydomonas）和Scenedesmus的TCA循环和脂肪酸生物合成途径的影响。C6-HSL处理后，Scenedesmus的TCA循环基因变化较少，这可能解释了其生长受到的影响较小。关键酶如琥珀酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶的表达降低，表明TCA循环通量受到抑制。然而，琥珀酰-CoA合成酶和ATP-柠檬酸裂解酶的表达与Chlorella相似。在C6-HSL存在的情况下，涉及FAS1和FAS2等酶的延长途径（EC 2.3.1.85和EC 6.4.1.2）在小球藻（Chlorella）和Scenedesmus中的表达水平更高（图5c）。这些基因编码的酶对于储存脂质的产生至关重要（Garay等人，2014年）。在EC 2.3.1.179、EC 1.1.1.100和EC 1.3.1.9途径中，不同微藻物种对C6-HSL的反应导致基因表达发生变化，从而影响脂肪酸链的延长、氧化还原平衡和脂质合成。小球藻的反应最为显著，有17个基因的表达增加，9个基因的表达减少。Scenedesmus的反应较为温和，有4个基因表达增加，3个基因表达减少。衣藻（Chlamydomonas）的表现与Scenedesmus类似，有5个基因表达增加，3个基因表达减少。在脂肪酸降解方面，衣藻表现出抑制作用（26个基因表达下降，3个基因表达上升），这有利于脂质的储存。热图（图S3）显示了C6-HSL处理下脂肪酸降解基因的物种特异性变化。在C6-HSL处理下，衣藻似乎将其基因表达从脂质途径转向碳水化合物途径，这体现在脂肪酸降解、脂肪酸延长和TCA循环相关基因的表达下降上。Scenedesmus的表达略有下降，而小球藻的反应较为平衡，表明其可能选择性地降解某些物质以促进脂质生产（支持信息图S3：脂肪酸降解途径中的差异基因表达）。

3.6. DNA复制途径中的基因表达变化
与未经处理的微藻样本相比，C6-HSL处理下DNA复制相关基因的分析显示，Scenedesmus受到的影响最小，其基因表达变化可以忽略不计，而小球藻和衣藻则表现出不同程度的表达变化（图6）。具体来说，衣藻中编码MCM 2–7解旋酶复合体的基因表达增加，反映了复制起始的增强；而DNA聚合酶的表达也略有增加。相反，RPA和RNaseH等基因的表达略有下降。在小球藻中，DNA聚合酶和RPA的高表达基因多于低表达基因；然而与衣藻类似，MCM 2–7基因的表达也有所增加。

4. 讨论
4.1. 微生物信号对微藻生长和聚集的影响
C6-HSL和AS-AHLs对衣藻、小球藻和Scenedesmus的生长和附着的影响可以归因于QSSs作为跨界信号分子，它们指导细胞代谢。C6-HSL揭示了核心的转录组反应，而AS-AHLs证实了在复杂的污泥衍生信号混合物下也会出现类似的表型。这些反应因物种而异，反映了它们在代谢灵活性和对这些微生物信号的响应能力上的自然差异。已知AHLs可以与特定的调节蛋白相互作用，导致转录网络的变化，从而调节生长和代谢（Xu等人，2021年）。相比之下，C6-HSL和AS-AHLs对Scenedesmus生长的影响较小，这表明它具有更强的代谢抵抗力，并能更好地耐受QSSs。这可能源于其强大的代谢网络，即使在外部信号存在的情况下也能维持核心细胞过程。先前的研究表明，某些微藻（包括Scenedesmus）具有可适应的代谢途径，可以通过重新分配资源来缓解压力（Calhoun等人，2021年；Singh等人，2024年）。此外，早期研究还发现微藻中存在某些代谢物，可能影响QSSs（Awdhesh Kumar Mishra和Kodiveri Muthukaliannan，2022年）。因此，衣藻和小球藻可能产生与Scenedesmus不同的代谢物，这可能导致它们对QSSs的反应更为明显。此外，所有物种在AHL处理下的微生物附着增加表明QSSs促进了聚集的形成。已知AHLs可以调节不同微生物的细胞外物质产生，从而促进细胞表面粘附和生物膜的稳定性（Ou等人，2023年）。此外，先前的研究在衣藻、Tetradesmus和Scenedesmus中发现了与聚集相关的候选基因，表明聚集可能是由捕食者感知、细胞间信号传导和/或细胞表面结构修饰驱动的（Muir等人，2024年）。这种聚集可能是一种保护策略，使微藻能够在这些条件下形成结构化的群落，从而提高生物量收获效率。比较纯C6-HSL和AS-AHL处理的结果显示，总体趋势在各个菌株中大体一致——尤其是在生长模式、聚集和多糖储存反应方面。值得注意的是，AS-AHLs通常比纯C6-HSL产生更强的效果，表明污泥提取物不仅仅是一个单一分子信号。这可能反映了提取物中存在额外的AHLs，这些AHLs与最丰富的C6-HSL共同作用，可能共同放大或延长了响应。通过适当的优化，从活性污泥中回收的混合AHLs可以用于引导微藻的生长、聚集和代谢物积累。

从生态学的角度来看，AHL与微藻的相互作用可以被视为跨界化学对话的一部分。通过释放改变藻类代谢的QSSs，细菌可能间接影响藻类衍生的有机碳、氧气和细胞外聚合物的可用性和质量，所有这些都会影响生物膜结构和微尺度栖息地（Dow，2021年）。作为回报，微藻的分泌物和表面特性可以调节细菌群落组成和群体感应动态，形成反馈循环，稳定特定的共生体（Mugnai等人，2023年）。因此，AHL诱导的藻类脂质和多糖生产的改变以及聚集可能反映了有利于紧密耦合的细菌-藻类关联的生态策略。

4.2. QSS相关的水多糖和脂质变化
在QSSs处理下，衣藻中多糖积累的增加表明碳流被重新定向到储存化合物。多糖作为能量储备，帮助细胞应对环境压力（Masi等人，2023年；Morais等人，2022年）。在小球藻和Scenedesmus中，AHL处理下水多糖含量的减少可能是因为碳资源被重新分配到脂质生物合成和其他途径，而不是多糖的积累。这种转变可能反映了碳水化合物储存与脂质合成之间的权衡，后者对于适应和膜重塑至关重要。先前的研究报告称，在某些暴露于压力（如氮缺乏）的微藻中，脂质生物合成优先于碳水化合物积累（Gaignard等人，2021年）。在QSSs处理下，尤其是Scenedesmus中脂质积累的增加突显了QSSs在调节脂质代谢中的作用。QSSs可能增加参与脂肪酸合成和延长的基因表达，促进长链脂肪酸的产生，用于储存脂质。这种行为符合脂质作为能量密集分子的已知功能，它们提供长期能量储备和膜结构成分（Van Meer等人，2008年）。响应QSSs时，MUFAs相对于PUFAs的增加可能是由于三个主要原因：1）MUFAs比PUFAs更能抵抗氧化损伤；2）MUFAs有助于维持或调整膜流动性，这对细胞在变化的环境信号条件下的完整性至关重要；3）这种变化可能反映了受群体感应影响的代谢途径的调整，以优化能量使用或储存（Hulbert等人，2006年）。C6-HSL暴露下脂质代谢的差异调节反映了AHL介导的跨界代谢调控，不同物种的策略受到其独特的能量需求和进化适应的影响。在小球藻中，脂肪酸生物合成基因的强烈激活表明代谢向脂质积累方向重新编程。延长酶FAS1和FAS2的高表达表明长链脂肪酸的合成增强，可能是为了构建能量密集的储存脂质或强化膜结构。这与小球藻在氧化和氮压力下增加脂质储存的已知行为一致（Zhang等人，2019年）。此外，降解相关基因的适度抑制表明小球藻可能选择性地限制脂肪酸分解，以保留脂质同时保持能量使用的灵活性。这种平衡的调节有助于维持氧化还原稳态，这在涉及NAD(P)H相关反应的代谢转变期间至关重要（Zhang等人，2020年）。在Scenedesmus中，更受控制的转录激活表明了一种谨慎的脂质合成策略。相对较少的基因高表达，加上降解的适度抑制，表明脂质积累是温和的，不会引发强烈的氧化或能量压力。这种“平衡”的脂质积累可能是在外部信号存在的情况下为适应环境压力而进化出的资源优化方法。先前的研究表明，Scenedesmus在磷限制条件下会将碳转向脂肪酸，减少碳水化合物水平以促进脂质生产（Yang等人，2018年）。这里也可能发生类似的权衡，C6-HSL作为信号，温和地调整代谢，保持细胞稳定性。在衣藻中，转录组谱显示对碳水化合物的偏好超过脂质储存。尽管一些脂肪酸合成基因被激活，但降解的强烈抑制和延长基因的适度表达表明脂质周转被最小化。相反，远离脂质相关途径的转变——包括TCA循环中的表达降低——表明优先考虑碳水化合物的合成和储存，可能是由于较低的能量成本和适应压力的能力。这与观察到的小球藻在高碳水化合物含量下更优化的防御策略一致，表明其在QSSs信号下的防御策略更倾向于多糖积累。同时，QSS暴露还导致脂质含量增加，与氮饥饿等其他压力条件下的主要脂质中心反应形成对比，表明QSSs诱导了一种独特的代谢配置。

4.3. 对QSSs的转录组响应
C6-HSL的转录响应表明微藻将这种细菌QSSs感知为跨界信号，触发物种特异性的适应策略。在衣藻中，碳水化合物代谢基因的高表达表明碳流被重新定向到多糖生物合成，可能支持结构强化和渗透压平衡。Colina等人报告称，这种碳流的重新分配有助于结构强化和渗透压平衡，这对环境压力条件下的生存至关重要（Colina等人，2020年）。多糖脱乙酰酶表达的增加进一步表明细胞壁重塑的活跃，这与已知的应激反应一致。尽管衣藻中的许多核糖体生物生成基因表达增加，但rRNA甲基转移酶等相关基因的表达降低，表明选择性的翻译重编程。这种转变可能减少了能量需求，同时保持了合成应激响应蛋白的能力。先前研究发现，在低光照条件下衣藻中CrBUD23（编码rRNA甲基转移酶）的表达降低，支持了这种节能策略（Liu等人，2023年）。同时，HSP70伴侣蛋白和半胱氨酸脱硫酶的表达增加反映了细胞质和线粒体中保护机制的激活（Braymer和Lill，2017年；Maikova等人，2016年），而抗氧化基因表达的增加增强了细胞对氧化应激的防御（Song等人，2024年）。这表明AHLs触发了应激信号，刺激蛋白质折叠和氧化还原保护途径，帮助细胞减轻活性氧物种的损害，并在QSSs诱导的压力下维持代谢稳定性。综上所述，这些模式表明QSSs输入通过核心藻类应激和氧化还原信号途径传递，然后协调下游的转录程序。换句话说，细菌的QSSs似乎作为上游信号，通过现有的ROS-、伴侣蛋白和细胞壁相关信号模块转化为藻类响应。在小球藻中，对AHL介导的跨界信号的适应似乎更依赖于节能和储存导向的代谢状态。与囊泡运输和细胞骨架组织相关的基因表达增加，可能支持细胞内运输和膜重塑（Bykov等人，2017年）。糖酵解酶的表达降低表明能量生成途径减少，更有利于生存而非生长（Chung和Ng，2024年）。Scenedesmus也表现出关键碳水化合物代谢基因的表达降低，与小球藻类似。然而，该物种表现出转运蛋白和跨膜通道基因的高表达，表明强调营养吸收或解毒（Le Moigne等人，2022年；Shao等人，2019年）。氧化还原酶和光合作用相关基因的混合表达模式表明在节省能量和维持氧化还原及能量稳态之间取得了动态平衡。重要的是，GO的结果显示，并非所有微藻都对C6-HSL的反应都是通过积累特定的高价值化合物（如多糖）来实现的。虽然小球藻和Scenedesmus主要通过能量保存和膜适应性来提高对压力的耐受性，但衣藻却独特地将代谢活动重新导向多糖的生产。这突显了衣藻作为通过AHL（喹啉甲酸酯）信号增强多糖积累的有希望的候选者，为利用微生物信号化合物来调控藻类代谢产物的生物技术应用提供了潜力。总体而言，这些转录组模式表明，QSS（群体感应信号）作为一种分子语言，能够重新编程藻类的代谢过程，从而揭示了一种通过跨界信号调节藻类特性的新方法。

4.4. 在QSS作用下的中心碳代谢变化
衣藻中关键TCA循环基因的表达降低，表明其细胞策略是在C6-HSL存在下减少线粒体呼吸并限制ROS（活性氧）的产生。有趣的是，衣藻中关键TCA循环基因的抑制可能类似于AOX1/2（氧化酶）在光氧化应激下的保护作用，即通过减少线粒体电子流动来限制ROS的形成。虽然AOX能够消耗多余的还原当量，但限制TCA循环的流量可以防止这些还原当量在上游积累，从而在不同应激条件下提供互补的氧化还原控制机制（Kaye等人，2019年）。C6-HSL作为一种微生物信号，可能触发代谢保守机制，减少能量消耗大的氧化磷酸化过程，从而避免应激细胞中的氧化损伤（Phillips等人，2009年）。苹果酸脱氢酶的混合表达可能有助于维持草酰乙酸和NADH的池，支持氧化还原平衡和生物合成途径的连续性（Broeks等人，2023年）。在小球藻中，中心TCA酶的表达降低与类似的应激反应一致；然而，ATP-柠檬酸裂解酶和琥珀酰辅酶A合成酶的表达增加表明柠檬酸被重新导向乙酰辅酶A的生产。这种转变可能支持脂肪酸的生物合成——这是一种已知的应激保护及储存机制——并在整个TCA循环被抑制时通过底物水平磷酸化生成ATP（Phillips等人，2009年）。Scenedesmus的整体变化较小，表明其在C6-HSL下的代谢稳定性更强。某些TCA基因表达的降低可能反映了呼吸作用的轻微抑制，而ATP-柠檬酸裂解酶表达的增加则表明柠檬酸被重新导向脂质生物合成（Fakas等人，2025年）。这种部分反应可能解释了Scenedesmus生长受到的影响较小——其灵活的代谢机制能够缓冲QSS带来的能量和氧化应激。这些表达模式反映了保守但不同的代谢策略：衣藻中的能量保存、小球藻中的代谢重定向以及Scenedesmus中的灵活性。

4.5. QSS对DNA复制和细胞周期相关基因的调节
在衣藻和小球藻中，MCM2-7解旋酶复合体基因的一致性高表达表明这两种物种都试图维持或增强复制起始。MCM复合体对于在复制起点解开DNA至关重要，其激活通常标志着DNA合成的开始（Aklilu和Culligan，2016年）。在C6-HSL存在下这些基因的表达增加可能是一种保护机制，确保即使在整体代谢受到抑制的情况下，关键基因组区域（可能与压力耐受性或基本细胞功能相关）也能得到复制。然而，这种明显的复制起始准备状态并未完全体现在延伸和修复过程中。RPA和RNaseH（两者对复制叉进展和RNA-DNA杂交体解析都至关重要）的表达降低表明延伸和复制后修复过程受到抑制。这种启动和延伸之间的分离可能表明存在类似检查点的调节机制，即细胞为复制做准备，但在条件改善之前暂停全面合成。这种检查点行为已在真核生物中观察到，用于在氧化或DNA损伤应激下防止复制叉崩溃并维持基因组完整性（Cerritelli和Crouch，2009年）。特别是RNaseH的抑制可能反映了RNA引物去除和R-loop解析的减少——可能是为了延缓延伸以避免复制应激引起的DNA断裂（Zhang等人，2018年）。同样，RPA的部分抑制可能表明DNA链稳定化速度减慢，这是一种已知的降低复制叉速度和避免突变的策略。相比之下，Scenedesmus的复制基因表达变化最小，这可能表明其细胞周期更加稳定或具有更高的压力耐受阈值。

5. 结论
本研究证明，细菌群体感应信号（QSS），特别是C6-HSL，可以作为跨界的微生物代谢调节因子，以物种特异性的方式调节脂质和碳水化合物的生物合成。转录组和表型分析显示，所有三种微藻都对C6-HSL有响应，表现为脂质积累增加，而只有衣藻表现出碳水化合物产量的增加。研究表明，衣藻是QSS驱动多糖生产的有希望的候选者，而Scenedesmus由于其强大的代谢稳定性和强烈的脂质响应，成为QSS增强脂质生产的合适目标。普通小球藻表现出最广泛的转录反应，包括脂质生物合成增加以及光合作用和整体代谢的抑制。这些发现支持使用QSS来引导微藻代谢朝向所需的生物产物，并表明它们在物种特异性生物加工中的潜力。它们还表明，废水不仅可以作为营养来源，还可以作为信号分子的储存库。然而，仍存在一些挑战，包括不同废水流中AHL组成的差异、对微生物群落的可能影响，以及代谢产物积累与生物量生产力之间的权衡，这些问题应在未来的研究中加以解决。

作者贡献声明：
Shahla Radmehr：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、概念化。
Johanna M. Rinta-Kanto：撰写——审阅与编辑。
Ville Santala：撰写——审阅与编辑、监督。
Mika M?ntt?ri：撰写——审阅与编辑、监督。