中国农业大学资环学院李洁明团队解析产毒微囊藻实现种内竞争优势的胞内外联合调控机制并鉴定新型化感物质
2025/05/24
2045月2日，中国农业大学资源与环境学院李洁明副教授团队在自然指数期刊、环境科学与生态学领域Top期刊《水研究》（Water Research）发表研究论文《解析产毒微囊藻实现种内竞争优势的胞内外联合调控机制：基于多组学的综合分析并鉴定新型化感物质》（Deciphering the joint intracellular and extracellular regulatory strategies of toxigenic Microcystis to achieve intraspecific competitive advantage: An integrated multi-omics analysis with novel allelochemicals identified）。
该研究证实，微囊藻（蓝藻水华优势种）的种内相互作用可促进产毒藻对非产毒藻的竞争优势；整合蛋白质组学和代谢组学分析，结合生化实验证据，研究揭示了产毒微囊藻在胞内和胞外层面的联合调控策略，为理解微囊藻间竞争机制及其对水生生态系统的影响提供了新视角。
研究依据太湖水华期间产毒和非产毒微囊藻的相对丰度，设置不同初始细胞密度比（1∶1、2∶1和1∶3），结果显示1∶1比例下产毒与非产毒微囊藻的种内相互作用最显著：产毒微囊藻在共培养中生长获益，而非产毒微囊藻则受到抑制（图1a, b）。随时间推移，产毒微囊藻能持续抑制非产毒微囊藻生长并破坏其细胞结构（膜破裂和胞质渗漏），同时自身保持形态完整且分裂活跃（图1d, e）。这种不对称竞争导致产毒微囊藻相对丰度显著升高（图1c），与自然水体蓝藻水华期间产毒微囊藻占比升高的现象一致。
图1 种内互作过程中产毒与非产毒微囊藻的(a–c)生长、(d–e)形态特征与(f–h)产毒微囊藻微囊藻毒素产生释放规律
在种内互作过程中，产毒微囊藻的藻毒素合成能力在中后期显著降低（图1f），细胞内的藻毒素含量也大幅减少（图1g），表明产毒微囊藻优先增殖而非合成毒素。尽管共培养期间胞外藻毒素含量高于单独培养，但无统计学差异（图1h），表明藻毒素在种内竞争中的直接作用仍需进一步验证。
蛋白质组与代谢组揭示产毒微囊藻的化感作用对非产毒微囊藻的负面影响。产毒微囊藻通过下调非产毒微囊藻光合作用的关键蛋白（图2a），显著抑制了其光合能力，导致ATP和NADPH合成受阻。非产毒微囊藻上调糖酵解、柠檬酸循环和磷酸戊糖途径的关键酶，但这种高能代谢加速了细胞衰老，并减少了生长所需能量。此外，非产毒微囊藻的脂肪酸合成与β-氧化增强，但磷脂代谢紊乱导致膜稳定性下降。这些多层次的代谢紊乱导致非产毒微囊藻在共培养中的竞争劣势。
与非产毒微囊藻的高能耗代谢模式不同，产毒微囊藻表现出精准的代谢调控策略（图2b），选择性激活磷酸戊糖途径，抑制糖酵解和柠檬酸循环，从而降低能量消耗。这种“节能增效”模式通过三重机制增强竞争优势：（1）碳流重定向至生物合成，促进增殖；（2）上调蔗糖及糖转运蛋白，增强能量储备；（3）提高膜磷脂PC∶PE比值，维持膜稳定性（与电镜观察吻合，图1d）。产毒微囊藻还下调了核糖体蛋白和氨基酸合成酶，抑制蛋白质合成以减少能量消耗并延长细胞寿命。胆绿素积累和GSH∶GSSG比值的升高反映抗氧化防御增强。通过这些策略，产毒微囊藻在共培养中维持代谢稳态，并获得显著的生长优势（图1a）。
图2 (a)非产毒与(b)产毒微囊藻在共培养条件下的蛋白质组学和代谢通路变化图（相较于单培养时的变化）
为鉴定产毒微囊藻实现种内竞争优势的关键化感物质，本研究通过共培养体系的胞外代谢组分析筛选出3种显著富集的代谢物：胞苷二磷酸-二酰基甘油CDP-DG (18:1)、CDP-DG (16:0/18:2(9Z,12Z))和N-(3-羟基戊酰基)-高丝氨酸内酯(3OH-C5-HSL)。剂量暴露实验进一步证实，CDP-DG (18:1)和3OH-C5-HSL对非产毒微囊藻的抑制作用与共培养中观察到的水平一致，且显著强于对产毒微囊藻的抑制（图3），而微囊藻毒素则未显示出相应效应。因此，CDP-DG (18:1)和3OH-C5-HSL可能是介导种内互作的关键化感物质。
图3 产毒与非产毒微囊藻在CDP-DG、3OH-C5-HSL和藻毒素梯度暴露下的生长抑制率
该研究首次从分子层面揭示了产毒微囊藻实现种内竞争优势的胞内外联合调控策略，并阐明了这些机制如何驱动蓝藻水华的毒性演变动态，为水华治理和公共卫生风险防控提供了重要科学依据。
产毒和非产毒微囊藻化感相互作用的概念模型图
中国农业大学为该论文第一和通讯作者单位，资环学院在读博士生郭钟惠为论文第一作者，近年以一作发表论文多篇；资环学院李洁明副教授为论文通讯作者，作为项目负责人获国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划项目子课题、北京市自然科学基金面上项目、教育部项目的持续资助；已毕业硕士生胡嘉奇、安广琪和王成禹参与了论文研究工作。
该论文研究得到了国家科学基金面上项目（32271707、31872694）的资助。
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