揭示Ulva pertusa中铵离子和硝酸盐吸收与同化机制的差异：生理反应、转录组学及分子对接技术的启示

《Aquaculture》：Unraveling the discrepancies in absorption and assimilation mechanisms between ammonium and nitrate in Ulva pertusa: Implication by physiological responses, transcriptomics and molecular docking

　　

张华秋|刘宇|王国光|陈海月|荣光志|王海霞

中国大连海事大学环境科学与工程学院，大连116026

摘要

集约化水产养殖的扩张导致了沿海地区的氮污染，因此需要可持续的修复方法。虽然基于大型藻类的生物修复在去除氮方面显示出潜力，但其差异性氮同化的机制仍不甚明了。本研究采用生理学、转录组学和分子对接相结合的方法，比较了在模拟水产养殖废水条件下Ulva pertusa对铵（NH₄⁺-N）和硝酸盐（NO₃^?-N）的吸收和同化过程。结果表明，在低浓度下，NH₄⁺-N支持更高的氮吸收、生长和氨基酸合成，但在高浓度下则会抑制生长。研究发现，NRT2和AMT1分别是NO₃^?-N和NH₄⁺-N的主要转运蛋白，而CLC和AKT可能是其他转运蛋白。转录组分析显示，NO₃^?-N的同化主要通过谷氨酰胺合成酶-谷氨酸合成酶（GS-GOGAT）途径进行，而NH₄⁺-N则通过谷氨酸脱氢酶（GDH）途径进行，同时上调的三羧酸（TCA）循环和氨基酸生物合成基因可能将碳流重新导向氨基酸合成。加权基因共表达网络分析（WGCNA）进一步确定丝氨酸/苏氨酸激酶和苹果酸脱氢酶是关键调控因子。我们的发现表明U. pertusa对NH₄⁺-N和NO₃^?-N具有不同的同化途径，为利用其减轻水产养殖废水中的氮污染提供了科学依据。未来的工作应侧重于现场验证和优化培养条件以提高氮去除效率。

引言

随着水产养殖业的迅速扩张，集约化养殖方式导致了日益严重的废水排放问题（Yu等人，2023年）。水产养殖废水通常富含氮和磷等营养物质，如果直接排放到环境中，很容易引发沿海富营养化、藻类暴发和生态系统退化（Dai等人，2023年；Li等人，2023a年）。在这种背景下，迫切需要开发环境可持续的水产养殖系统。在各种修复策略中，基于藻类的生物修复作为一种有前景、可持续且成本效益高的废水处理方法脱颖而出。在具有明显水层分层的河口区域，策略性地在表层水中种植大型藻类可以有效吸收溶解的营养物质，并表现出对环境压力的抵抗力（Bao等人，2023年）。硝酸盐和铵是藻类生长的主要无机氮来源，它们的形式和浓度直接影响藻类的生理反应和代谢途径（Xu等人，2011年）。

藻类在不同氮源的利用效率上存在差异，由于铵可以通过跨膜运输直接吸收且同化所需的能量较低，因此通常更受青睐（Glibert等人，2016年）。例如，绿色大型藻类Ulva lactuca在最佳盐度条件下对铵的去除效率显著高于硝酸盐，可达94.95%（Chen等人，2024a年）。这种偏好部分归因于铵的同化过程能耗较低，甚至可以在超过其即时生长需求的情况下被吸收（Kumar等人，2020年）。然而，需要注意的是，高浓度的铵可能会产生毒性，损害光系统II（PS II）并降低光合作用效率，例如在高铵压力下Microcystis aeruginosa的Fv/fm比率下降了约50%（Yang等人，2022年）。

藻类对不同氮源的适应涉及复杂的分子调控机制。铵的吸收主要由位于质膜和叶绿体膜上的铵转运蛋白（AMT）促进，同化过程通过GS-GOGAT途径进行（Kumar等人，2020年）。在Chlamydomonas reinhardtii中，高铵条件下AMT1亚家族基因的表达差异体现了这种精确的调控（Hu等人，2024年）。相比之下，硝酸盐的吸收依赖于硝酸盐转运蛋白（NRT），并且需要在同化前通过硝酸盐还原酶（NR）和亚硝酸盐还原酶（NIR）将其还原为铵，这一过程能耗更高（Kumar等人，2020年）。Ulva prolifera中NRT基因的高表达可能增强了其硝酸盐吸收能力（Wang等人，2019年）。这种与氮源的相互作用深刻影响了碳和氮的代谢，导致资源的协调重新分配。在高氮条件下，升高的

CO₂不会抑制Pyropia yezoensis的生长，反而促进了光合色素的合成，提高了光能捕获效率，并刺激了特定氨基酸的积累（Gao等人，2019年）。同样，在高铵条件下，Landoltia punctata激活了同化途径，将多余的铵转化为有机氮，同时上调糖酵解和TCA循环基因以供应氨基酸合成所需的碳骨架，从而维持碳氮平衡和稳定生长（Tian等人，2021年）。这种代谢灵活性在Chlorella vulgaris中表现得更为明显，氮限制条件下促进碳水化合物积累（高达42.5%），而氮充足条件下则有利于蛋白质合成（Sousa等人，2025年）。最终，碳氮平衡的调控是决定藻类生化组成的关键因素，对指导各种应用中的生物量生产具有重要意义。

在多种绿色大型藻类中，选择U. pertusa作为研究对象有几个原因。首先，它能在高浓度的水产养殖废水中茁壮生长，并表现出快速的氮吸收和同化能力，使其成为高效去除氮污染的理想候选者（Bat?r等人，2024年；Duarte等人，2025年）。其次，U. pertusa具有相当大的经济价值；其生物质可以进一步加工提取蛋白质、多糖和其他生物活性化合物（Calheiros等人，2021年；Pari等人，2025年），从而将废水处理与资源回收相结合。这些特性使U. pertusa成为一种有前景的水产养殖废水处理生物修复剂。

尽管现有研究对藻类的氮吸收偏好、关键转运蛋白和某些代谢反应有一定了解，但仍存在显著局限性和空白。首先，大多数研究仅关注单一氮源或相对较低的浓度范围。其次，目前的认识主要集中在众所周知的AMT和NRT主导的途径上，而对可能对高氮环境适应至关重要的替代或辅助氮转运和感知机制的理解还不够充分。此外，不同氮形式和浓度下碳和氮代谢之间协同作用的调控网络，尤其是在转录和转录后水平上的整合机制，尚不清楚。最后，从计算结构生物学的角度探索关键转运蛋白与不同氮源分子之间的相互作用模式以解释吸收偏好和效率差异的研究仍然相对有限。为了解决这些问题，我们在1、2和8 mM的硝酸盐和铵条件下培养了U. pertusa，并采用多层次策略结合生理生态学、转录组学、WGCNA和分子对接技术，揭示了其对不同氮形式和浓度的适应机制和核心调控网络。这些发现为评估U. pertusa在超富营养化环境或废水修复中的应用潜力提供了重要的生理和分子见解。

章节片段

大型藻类的采集和实验设计

2024年8月至10月期间，从辽宁省大连市黑石礁湾（38°52.2′N, 121°33.4′E）采集了U. pertusa样本。采集后，用过滤过的天然海水冲洗藻类表面以去除沉积物和附生物。为了消除后续吸收实验中残留氮的潜在干扰，将藻体在添加了无氮Conway培养基（表S1）和维生素溶液（表S2）的灭菌海水中驯化48小时

氮利用特性

在本实验中，U. pertusa在铵和硝酸盐条件下的利用情况存在显著差异（图1A-1C和图S1）。在1 mM组中，培养基中的氮消耗遵循单相衰减模型。NH₄⁺-N的衰减常数（K）（0.6354）显著高于NO₃^?-N（0.4487）。在2 mM NH₄⁺-N组中，氮消耗曲线趋于平缓。而在相同浓度的硝酸盐培养的U. pertusa中并未出现这种现象

U. pertusa对铵和硝酸盐的差异性生理和同位素反应

在低氮供应条件下，NH₄⁺-N的优先吸收与其较低的同化能量成本一致，因为它可以直接整合到氨基酸中而无需预先还原，这一现象也在Microcystis aeruginosa中得到报道（Yang等人，2022年）。然而，这种能量优势严格依赖于浓度。在高铵供应条件下氮吸收的下降可能反映了生理瓶颈，特别是由质子不平衡引起的

结论

通过对U. pertusa中NH₄⁺-N和NO₃^?-N的不同吸收和同化机制的分析，观察到在低浓度下NH₄⁺-N的吸收速率、生长和氨基酸合成均增强，而在高浓度下NH₄⁺-N的生长受到抑制。转录组和分子对接分析表明，NRT2和AMT1可能分别是NO₃^?-N和NH₄⁺-N的主要转运蛋白

CRediT作者贡献声明

张华秋：撰写——原始草稿、方法学、实验设计。刘宇：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。王国光：撰写——审稿与编辑、概念构思。陈海月：可视化、验证、软件应用。荣光志：可视化、验证、正式分析、数据管理。王海霞：可视化、验证、方法学、数据管理。

资助

本研究得到了中央高校基本科研业务费 [资助编号3132023505]和辽宁振兴人才计划 [资助编号XLYC1802036和XLYC2001002]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工作的财务利益或个人关系。