近日，国际期刊ISME Journal刊发了中国科学院海洋研究所藻类生理过程与精准分子育种研究团队关于海洋浮游植物应对海洋暖化和热浪过程与机制的最新研究成果。这是该团队在Plant Physiology、the Plant Journal 发表海洋硅藻适应特殊环境机制的研究论文后，在海洋硅藻应对海洋暖化研究方面取得的又一重要进展。

随着气候变暖和热浪频发，全球海洋温度不断上升，海洋暖化对全球气候和生态系统有着广泛而深远的影响。海洋硅藻是海洋浮游植物的优势种，贡献了全球初级生产力的20%以及海洋初级生产力的40%，在食物链和生物地球化学循环过程中起着不可或缺的作用。海洋暖化严重影响海洋硅藻的生产力及物种组成，进而改变食物链和生物地球化学循环过程，最终威胁整个人类。海洋浮游植物尤其海洋硅藻是如何应对海洋暖化的？国际上尚未有相关分子机制报道。

本研究基于大数据分析，发现蓝光受体蛋白（PtCPF1）在全球海洋浮游植物中广泛存在，其表达量随温度的升高显著上调。该团队进一步在室内验证了大数据的分析结果，发现随着温度处理时间（包括短期处理和长期处理）的延长，海洋硅藻三角褐指藻PtCPF1的表达量显著上调（图1），结果暗示PtCPF1在海洋硅藻应对高温环境过程中起重要作用。

为了揭示PtCPF1的作用机制，研究团队首先在海洋硅藻三角褐指藻中建立了基于CRISPR/Cas9的基因编辑技术平台。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，构建了三角褐指藻PtCPF1基因的系列敲除（Knock out）突变株。研究发现，将PtCPF1基因敲除后，在20℃下突变株生长缓慢，尤其是在高温（26℃）下突变株的生长速度和光合活性显著下降，细胞分裂停滞（图2）。以上结果进一步表明，PtCPF1在三角褐指藻应对高温环境过程中起重要作用。

为进一步解析PtCPF1的作用机制，研究团队构建了三角褐指藻突变藻株的基因回补（Rescue）技术体系。利用此技术体系，该研究团队将野生型的PtCPF1完整基因元件回补至突变株（KO2）中，回补藻株（PtCPF1 KO2 R1，R2和R3）PtCPF1的表达以及在高温下的生理特征恢复到野生型状态（图3）。以上结果充分证明PtCPF1在三角褐指藻应对高温环境过程中起重要调控作用。

通过多组学分析，该团队进一步发现PtCPF1基因的敲除显著降低了氮的吸收利用和氧化还原系统的活性，尤其是完全抑制了高温下铁转运体（ISIP2A和ISIP1）和磷转运体（Na+/P cotransporter1和2）的表达（图4）。该团队进一步通过His标签藻株的构建、pull down以及铁和磷含量的测定等实验分析，发现PtCPF1通过与转录因子（BolA和TFIIA）相互作用（图5），靶向调控编码铁转运体和磷转运体基因的表达。由于铁是氮代谢和细胞氧化还原系统的关键辅因子，而磷是遗传物质和细胞膜的重要组成部分，二者的吸收被抑制将直接导致细胞无法分裂以及抗逆能力的减弱（图6）。

以上研究结果充分证明了PtCPF1作为关键作用因子，通过级联反应调节细胞代谢网络，调控铁和磷转运体的表达，进而影响相关营养物质的吸收与利用，海洋浮游植物通过该方式来应对非生物逆境因子尤其是高温环境的影响。这一研究成果不仅有助于我们全面认识海洋浮游植物应对海洋暖化的过程和分子机制，还为海洋经济硅藻的耐高温藻株的培育提供新的分子靶标。

图1. PtCPF1的表达对高温环境的响应

图2. 三角褐指藻PtCPF1基因的敲除藻株的构建及表型特征

图3. 三角褐指藻PtCPF1基因回补藻株的构建及表型特征

图4. 三角褐指藻PtCPF1基因敲除藻株的转录组分析

图5. 三角褐指藻PtCPF1互作蛋白的鉴定

图6. PtCPF1调控三角褐指藻应对高温环境的模式图

研究论文的第一作者为高山副研究员，通讯作者为王广策研究员。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重点研发计划、国家藻类产业技术体系等项目的支持。

研究论文：

Shan Gao, Wenting Yang, Xin Li, Lu Zhou, Xuehua Liu, Songcui Wu, Lijun Wang, Guangce Wang*. Cryptochrome PtCPF1 regulates high temperature acclimation of marine diatoms through coordination of iron and phosphorus uptake. ISME Journal, 2024,https://doi.org/10.1093/ismejo/wrad019