文章信息
第一作者：李祯祥
通讯作者：范亚文 教授，陆欣鑫 副教授
通讯单位：哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，黑龙江省水生生物多样性研究省级重点实验室
https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2024.116020
亮点
• 首次利用RNA-seq技术对镉胁迫下梅尼小环藻的差异表达基因进行了表征
• 梅尼小环藻在镉胁迫下共鉴定出5626个差异表达基因。• 通过qRT-PCR分析验证了差异表达基因的表达谱。
• 提出了梅尼小环藻响应镉胁迫调控网络的生物学假设模型。
研究进展
随着工业化和城市化进程的加快，含有大量重金属离子的废水排放到河流生态系统，重金属离子带来的水环境污染已成为全球环境问题。镉作为水中典型的重金属之一，不仅影响水生生物的基因表达，还影响其蛋白表达。镉在环境中残留时间长，难以降解，可沿着食物链富集，且不可逆，严重影响水生生物的群落结构。在水生生态系统中，浮游植物是最重要的初级生产者，其群落结构和功能在水生生态系统中起着至关重要的作用。浮游植物群落结构动态的任何变化都会影响上层的营养水平。与鱼类和大型无脊椎动物相比，浮游植物生命周期短，对环境变化响应迅速，因此它们是这类评估的实用指标。目前，关于镉对浮游植物细胞毒性影响的研究集中在种群动态和生理生化响应方面，主要侧重于模式物种。然而，对于非模式物种在转录水平上调控其生理生化表达的分子机制还缺乏一定了解。
研究意义
（1）梅尼小环藻对镉胁迫的生理响应：通过测定梅尼小环藻在镉胁迫下细胞密度、叶绿素a含量、MDA含量和SOD活性探究不同浓度的镉胁迫对其生理指标的影响。（2）梅尼小环藻对镉胁迫的分子响应：利用从头组装的转录组方法进行分析，对梅尼小环藻在镉胁迫下的分子响应机制进行初步研究。（3）提出了梅尼小环藻响应镉胁迫调控网络的生物学假设模型。
主要结论
（1）在镉胁迫下，梅尼小环藻的细胞密度和叶绿素a含量显著降低，MDA含量和SOD活性逐渐升高（图1）。
图1 不同浓度镉胁迫96 h时梅尼小环藻生长速率和生理变化。a）细胞丰度，b）Chl-a含量，c）MDA含量，d）SOD活性。
（2）主成分分析（PCA）表明各组内三组重复样本之间存在很强的相关性。RNA测序分析发现，在9个样本中共有5626个差异表达基因（图2）。
图2 镉胁迫梅尼小环藻72h，a）转录组样本的主成分分析；b）差异表达基因的数量；c）差异表达基因数量的维恩图。（镉胁迫浓度0、0.5、2和10 mg·L-1分别为CK、L、M和H组）
（3）通过GO和KEGG富集分析，镉胁迫影响的差异表达基因参与了多个生理生化过程（图3）。
图3 不同处理组的差异表达基因，a）M组的GO富集；b）H组的GO富集；c）M组的KEGG通路；d）H组的KEGG通路。
（4）镉胁迫可以促进氮代谢途径、ROS清除系统和光合作用，也会限制细胞内的各种代谢途径，如MAPK途径和磷脂酰肌醇代谢途径，且抑制程度随着胁迫浓度的增加而增加（图4）。
图4 镉胁迫下梅尼小环藻的响应机制示意图
作者介绍
李祯祥，博士，研究方向藻类群落生态学、藻类生理生态学；云南省生态环境科学研究院 生态环境保护研究中心。
通讯邮箱：hsdlzx1994@163.com
陆欣鑫，博士，哈尔滨师范大学生命科学与技术学院 副教授，硕士生导师，研究方向溪流底栖硅藻物种共存机制及水生态健康评价。发表SCI收录论文30余篇。
通讯邮箱：luxinxinchina@163.com
范亚文，博士，哈尔滨师范大学生命科学与技术学院 教授，博生导师，黑龙江省水生生物多样性研究省级重点实验室主任，研究方向硅藻分类、水生态系统完整性及健康评价。发表SCI收录论文80余篇。主持国家自然科学基金项目8项。
通讯邮箱：fanyaw@163.com
