近日，国际期刊The 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团队利用精准基因编辑技术在海洋硅藻信号感知和传导领域的研究成果。研究揭示了海洋硅藻SLC24A在种群密度信号感知和调控中发挥重要作用。这一发现为工业生产中实现微藻的高密度培养提供了新思路，也为硅藻藻华暴发时种群动态变化及藻华命运决定机制提供了新见解。

硅藻藻华暴发的规模和时空范围除了受营养物质、微量元素、温度、病毒等周边因素的影响外，生物量急剧增长导致的细胞密度波动也可作为一种内部的信号，影响藻细胞的生理过程及藻华生消进程。此外，微藻密度感知和传导机理之于微藻产业化的技术迭代至关重要，为微藻超高密度培养提供理论依据。我们前期研究已发现海洋硅藻可以利用叶绿素荧光信号实现对高密度的感知（Liu et al,2021,BMC biology）。微藻中关于光信号和化学信号的研究较为滞后，特别是分子机制，仍不清晰。

在本研究中，通过鉴定与密度信号相关的潜在基因，利用基因编辑技术敲除了其中的8个基因后锁定了关键基因PtSLC24A。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除了P. tricornutum中的PtSLC24A得到了两株PtSLC24A敲除突变体。胞内Ca2+浓度测定结果表明细胞密度能够诱导Ca2+响应，且PtSLC24A的敲除增加了胞内Ca2+浓度。我们对PtSLC24A蛋白进行了三维结构建模模拟计算的结果支持了PtSLC24A的Ca2+传输功能。此外，研究结果表明高密度能够诱导细胞凋亡，而PtSLC24A的敲除加剧了这一现象。PtSLC24A在不同细胞密度下也对密度依赖性基因的表达产生了影响。

图1 研究设计、转录组测序、PtSLC24A分子动力学模拟及钙离子测定

本研究进一步将微观实验室尺度上的细胞过程与大洋规模的群体响应联系起来。发现SLC24A同源基因在144个Tara oceans站点中均有分布，SLC24A同源基因的表达与4个主要类群的叶绿素含量之间呈正相关。以上结果表明，在自然海洋环境中，SLC24A介导的Ca2+信号在密度信号的胞内传递过程中发挥着关键作用。

图2 PtSLC24A敲除对细胞凋亡的影响及其在Tara Oceans中的分布、系统发育分析和对密度变化的响应

本研究基于分子遗传学、细胞生理学、计算结构生物学和原位海洋数据，提出了一种Ca2+介导的海洋硅藻细胞密度信号的胞内信号传导机制：当细胞接收到携带种群密度信号的化学信息物质之后，结合在细胞膜上的PtSLC24A通过加速胞内Ca2+的外流，以维持特定的细胞内Ca2+水平，从而将密度信号在胞内传递下去，随后调节包括细胞凋亡的生理过程，最终影响种群命运。

图3 SLC24A介导的种群密度感知和调控机制模式图

论文的第一作者为刘雪华博士，通讯作者为顾文辉副研究员和王广策研究员。本研究得到了国家自然科学基金、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。

Xuehua Liu,Zhicheng Zuo,Xiujun Xie,Shan Gao,Songcui Wu,Wenhui Gu,Guangce Wang,SLC24A-mediated calcium exchange as an indispensable component of the diatom cell density-driven signaling pathway, The ISME Journal,2024;,wrae039, https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae039