2025, Vol. 49
文章信息
- 陈婧, 甄毓, 米铁柱. 2025.
- CHEN Jing, ZHEN Yu, MI Tiezhu. 2025.
- 底栖有孔虫卷转虫(Ammonia spp.)对环境磷浓度变化的分子响应机制
- Molecular response mechanisms of benthic foraminifera Ammonia spp. to changes in environmental phosphorus concentrations
- 海洋科学, 49(3): 15-26
- Marine Sciences, 49(3): 15-26.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20241113002
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文章历史
- 收稿日期：2024-11-13
- 修回日期：2025-01-21
2. 青岛海洋科技中心 海洋生态与环境科学功能实验室, 山东 青岛 266237;
3. 中国海洋大学 深海圈层与地球系统前沿科学中心, 山东 青岛 266100
2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao Marine Science and Technology Center, Qingdao 266237, China;
3. Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
磷是所有生命的必需元素, 是生物体结构和功能的基本组分之一, 并可以通过三磷酸腺苷(ATP)的形式传递化学能。海洋磷库中磷的可用性不仅会影响“生物泵”固定和埋藏二氧化碳的过程, 还会影响海洋初级生产力以及物种分布和生态系统结构[1]。近年来, 人为氮的输入正在使黄海和东海海域从氮限制向磷限制转变[2], 磷作为海洋初级生产的限制性营养元素[3], 成为调节海洋生态系统生产力和结构的关键因素。
海水中的磷形态可分为颗粒态磷和溶解态磷, 其中溶解态总磷约为90 000~93 000 Tg, 仅深层海水中溶解态磷的储量就占到海洋溶解态磷的95%以上[4]。由于浮游植物的光合作用消耗了绝大部分的表层磷, 其余的部分则以各种无机矿物和有机化合物组成的下沉颗粒物的形式输送到海底, 海水中的溶解无机磷酸盐(dissolved inorganic phosphorus, DIP)在海洋中的深度剖面上呈现出表面耗竭和深层富集的特征趋势[1]。在沉积物不同的氧化还原条件下, 输送到海底的磷一部分转化为自生磷矿被埋藏, 另一部分则被富含铁、锰离子的氢氧化物所吸附[5]。除此之外还有一个不可忽视的过程, 即微生物介导的磷的储存释放和迁移转化过程[6]。
有孔虫是一类全球分布广泛的单细胞真核原生动物, 一般具有碳酸钙形成的钙质外壳或由沉积物颗粒构成的胶结质外壳。底栖有孔虫是海洋底栖生物的重要组成部分, 同时也是沉积物中最丰富、最多样化的原生生物之一[7-8]。作为第一种被发现能够进行反硝化的真核生物[9], 已有大量研究证明底栖有孔虫细胞内储存有大量硝酸盐, 其对于沉积物的反硝化贡献甚至远超原核生物, 这对认识真核生物在低氧环境下的生存代谢机理以及更精确地量化海洋氮收支过程有着非常重要的意义[10-12]。Glock等[13]的研究发现, 除硝酸盐外, 底栖有孔虫细胞内同样也富集和储存着高浓度的磷酸盐, 在秘鲁上升流区的底栖有孔虫细胞内储存的磷酸盐浓度可以达到周围孔隙水的10~100倍以上。有证据表明, 底栖有孔虫可能在缺氧条件下利用细胞内储存的磷酸肌酸去磷酸化来再生ATP, 这可能是细胞内储备磷酸盐的另一种解释[14]。有孔虫死亡后, 细胞内储存的磷酸盐释放到孔隙水中被磷酸酶水解, 导致局部微环境过饱和, 还可能促进磷灰石的形成[13]。综上所述, 底栖有孔虫是海洋生物地球化学磷循环中的重要参与者。许多海洋微生物能够将磷以多聚磷酸盐的形式储存在细胞内, 当沉积物处于低氧状态时, 这些微生物可以利用高能多磷酸盐作为能源, 通过生物作用将磷酸盐离子释放到沉积物孔隙水中, 导致无定形磷灰石前驱相过饱和, 最终催化磷矿生成[15-17]。这些生物过程协同作用, 共同调节着磷酸盐在沉积物和水体之间的交换。
卷转虫(Ammonia spp.)是全世界底栖有孔虫中最丰富和最多样化的类群之一, 是浅海和河口最常见的有孔虫之一, 同时也是钙质底栖有孔虫中重要的玻璃质壳代表类群[18]。近年来, 随着分子生物学和生物信息学的不断发展, 卷转虫作为低氧和重金属污染环境的指示属被频繁报道[14, 19-21]。尽管底栖有孔虫已被证明在海洋磷循环中可能发挥重要作用, 但有关其磷代谢的研究却非常不足, 特别是底栖有孔虫对磷酸盐的表达调控机制尚不清楚。为此, 我们以胶州湾潮间带底栖有孔虫代表卷转虫为研究对象, 通过实验室培养, 测定其在不同浓度磷酸盐水平下的基因表达差异, 在此基础上推测其磷代谢策略, 从而为阐明磷酸盐对卷转虫生长代谢的影响提供分子依据。
1 材料与方法 1.1 样品采集与有孔虫培养实验所用的沉积物样品采集自中国青岛胶州湾(120°09′18″E, 36°05′04″N), 用采样勺刮取潮间带表层0~1 cm的沉积物, 装入采样瓶带回中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室进行后续实验。本研究采用的实验方法及步骤如图 1所示, 卷转虫的培养方法参考Propagule法[22-23]。将采集到的原位样品过筛, 把粒径小于53 μm的沉积物均分成每个样品50 g, 向每个样品中添加100 mL不同浓度磷酸盐的海水, 按照沉积物与水体积比为1∶2的比例对有孔虫幼体进行培养。培养条件为温度18 ℃, 盐度约24, pH 8.0±0.1, 光暗周期比12 h∶12 h。向调节好的海水中添加NaH2PO4溶液以配制成0、1.0、20.0、50.0、100.0 μmol·L−1的磷酸盐培养液, 将对照组和实验组样品分别标记为P0、P1、P20、P50、P100, 每组设置4个平行, 每2周保留1次水样并更换相同磷酸盐浓度的海水, 用磷钼蓝法测定保留水样的磷酸盐浓度。为了避免藻类的生长对实验结果造成影响, 将−20 ℃冷冻致死的假微型海链藻(Thalassiosira pseudonana)作为有孔虫的饵料投入培养液中。培养6个月后, 从每组样品中取适量沉积物过筛, 并在体视显微镜下用毛刷挑选出成体卷转虫。将收集到的成体卷转虫用CellTracker Green(CTG)荧光染料染色, 24 h后在荧光显微镜下进行观察。
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| 图 1 实验方法及步骤示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental methods applied and the steps involved |
培养结束后, 从每组沉积物样品中筛分220只大于53 μm的成体卷转虫, 用毛刷轻轻洗净表面, 再转移到研钵中进行液氮研磨。将研磨均匀的卷转虫粉末用1 mL的PBS缓冲液洗脱至1.5 mL离心管中, 随后加入1 mL Trizol吹打混匀, 立即将样品置于60 ℃水浴10 min, 保存于−80 ℃冰箱。采用Trizol法抽提卷转虫总RNA, 并以其为模板, 用6碱基随机引物和逆转录酶合成cDNA第一链, 随后以第一链cDNA为模板进行互补链的合成。之后委托南京派森诺基因科技有限公司在Illumina Novaseq 6000平台进行转录组测序。
1.3 转录组数据处理与拼接为了获得高质量有效的数据用于下游分析, 使用Cutadapt对原始下机数据(Raw Reads)进行过滤, 去除带接头、长度小于50 bp、序列平均质量在Q20(碱基识别准确率在99%以上的碱基所占百分比)以下的读取序列(Reads), 从而获得有效序列(Clean Reads)。使用Trinity软件对有效序列进行拼接得到转录本序列, 对转录本进行聚类, 并从中挑出一条最长序列作为Unigene进行后续注释。
1.4 功能注释及差异基因富集分析使用Blastx, 取阈值E < 10–5, 将Unigene分别注释到NR(NCBI non-redundant protein sequences)、Swissprot、KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)、GO(Gene Ontology)、eggNOG、Pfam中。GO注释采用BLAST2GO软件来完成, KO及Pathway注释主要采用KOBAS注释系统完成。使用转录组表达定量软件RSEM, 以转录本序列为参考, 将过滤后的有效序列比对到参考序列上, 得到每个Unigene的读取序列数(Reads Count), 并计算每个基因的FPKM(Fragments Per Kilobase Million, 为每百万读取序列中来自某一基因每千碱基长度的读取序列数目)值。在计算分析RNA-seq数据的表达差异时, 使用DESeq对数据进行标准化处理, 并计算表达量差异的P-value和log2FoldChange值。以表达差异倍数|log2FoldChange| > 1, 显著性P < 0.05为标准, 筛选差异表达基因。
2 结果与讨论 2.1 不同浓度磷酸盐对卷转虫生长的影响对河海沉积物的研究表明, 磷在沉积物-水体界面上存在吸附-解吸平衡, 这一过程受到温度、底界面扰动等外部环境因素及沉积物粒度、有机质含量等内部因素的影响[24]。当上覆水中磷浓度低于0.40 mg/L时, 沉积物对磷的吸附量很低或呈负吸附状态; 当磷酸盐浓度较高时, 等温吸附曲线可用改进的Langmuir模型很好地拟合[25-26]。吸附动力学结果表明, 沉积物对磷的吸附可以在24 h内达到平衡[27]。因此, 经过沉积物吸附后, 培养体系中的实际磷酸盐浓度比我们设定的浓度要低, 各组培养体系中海水磷酸盐浓度变化如图 2所示。
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| 图 2 磷酸盐浓度梯度下各组培养体系中海水DIP浓度变化 Fig. 2 Variations of dissolved inorganic phosphate concentration in seawater under phosphate concentration gradients in cultured systems |
在整个培养过程中, 水体磷酸盐浓度的吸附平衡值表现出缓慢上升的趋势。P0、P1组的磷酸盐浓度在培养期间始终维持在0~1 μmol·L−1之间, 而P50、P100组的磷酸盐浓度从起始的1 μmol·L−1以下分别升高至10和20 μmol·L−1以上。实际测定的磷酸盐浓度与设定值之间的偏差, 一部分是由于沉积物对磷的吸附作用, 另一部分则归因于有孔虫生长代谢等生命活动消耗和其对磷酸盐的富集储存作用。
我们将样品过筛后挑选出成体卷转虫用CTG染料进行染色, 活细胞会在荧光显微镜下呈现绿色荧光。其原理为活细胞内的非特异性酯酶会分解探针中的亲脂性基团并产生5-氯甲基荧光素, 因此在荧光显微镜下以特定的激发波长观察时会发现绿色荧光[28]。通过观察, 我们发现不同DIP浓度下培养出的卷转虫在形态、活性和种群密度上均表现出一定差异。P1、P20、P50、P100组中卷转虫壳体内大多充盈着淡黄色的细胞质(如图 3a所示), 磷酸盐浓度越高越不易出现白色透明的死壳, 且每10 g沉积物样品中可以收集到的卷转虫也从数十枚增加到数百枚。与其他组不同的是, P0组中的卷转虫大多为白色透明壳体, 只有少部分的细胞质呈活性较好的淡黄色, 另有部分有孔虫壳体内圈房室仍保有不透明细胞质(如图 3c所示), 目测无法判断其死活。经过CTG染色后在荧光显微镜下进行观察, 发现其内圈房室中的细胞质发出微弱的绿色荧光(如图 3d所示), 证明其仍然存活。造成P0组卷转虫放弃外圈房室中的细胞质来保证存活的原因, 可能是在调节盐度时对海水进行了稀释却并未额外添加磷源, 长期培养导致有孔虫缺磷引起了细胞自噬。自然界中不乏这样的例子, 在缺磷条件下, 生物体会因为营养限制激活自噬途径, 通过基因调控诱导细胞自噬保存和循环细胞内磷资源[29-31]。类似地, 有孔虫可能也在磷饥饿的条件下降解外圈房室中的细胞质, 通过回收有限的营养物质及降解受损的细胞器来应对环境压力。
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| 图 3 CTG荧光染色后反射光和蓝色激发光下卷转虫对比 Fig. 3 Comparison of the Ammonia spp. under reflected and blue excitation light after CTG fluorescence staining |
经过筛分和卷转虫的死活鉴别, 我们对各组样品中的活体卷转虫种群密度进行了计数统计, 并对不同磷酸盐浓度组卷转虫种群密度的组间差异进行了显著性分析(图 4)。每组样品培养得到的卷转虫数量在322~ 495只之间, 活体卷转虫的种群密度为0.43~9.90只·g–1。随着环境磷酸盐浓度的升高, 卷转虫的种群密度也随之增加, P1、P20、P50、P100组的卷转虫种群密度均显著高于对照组(P < 0.001), P0、P1、P20、P50相邻浓度组别之间种群密度也存在显著差异(P < 0.001), 而P50与P100之间的卷转虫种群密度差异不显著(P > 0.05)。结合我们在显微镜下观察到的外圈空房室现象, 推测低磷环境下的卷转虫可能由于受到磷酸盐的限制而暂停生长和繁殖活动进入休眠状态, 减少新陈代谢速率和能量消耗, 保证少数个体的存活以应对低磷环境, 因此种群密度较低。在富磷条件下, 卷转虫利用食物和营养盐进行生长和繁殖, 种群密度开始出现显著上升, 但当磷酸盐浓度超过50 μmol·L−1时, P100组的卷转虫种群密度相对于P50组不再显著增加, 其增殖似乎受到了限制。由于P0组培养得到的活体卷转虫数量十分稀少且活性较低, 难以提取其RNA用于转录组测序, 因此仅将P1、P20、P50、P100四组有孔虫样品的RNA进行转录组测序。
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| 图 4 活体卷转虫种群密度组间差异显著性分析 Fig. 4 Analysis of the significance of the differences in the population densities of live Ammonia spp. |
为了探究卷转虫对不同浓度磷酸盐的分子响应, 了解其磷代谢的机制, 我们对不同浓度磷酸盐培养下的卷转虫样品进行转录组测序。共获得216 598条转录本, 66 580条Unigene, 长度范围为301~17 595 bp, 平均长度1 106 bp, 序列GC含量占比45.99%。通过KEGG、GO、NR等6个数据库对卷转虫转录组数据进行注释, 各数据库中的注释情况见表 1。
| 数据库 | 注释数量(百分比) |
| NR | 19 401(29.14%) |
| GO | 15 617(23.46%) |
| KEGG | 13 474(20.24%) |
| Pfam | 20 844(31.31%) |
| eggNOG | 20 033(30.09%) |
| Swissprot | 16 748(25.15%) |
在卷转虫转录组数据中, 注释成功率最高的是Pfam数据库, 有20 844条Unigenes被注释到, 占总Unigenes的31.31%; 而在KEGG数据库中得到的注释量较低, 只有20.24%。
GO数据库可将注释到的转录本划分为3个大类, 分别是生物学过程、细胞组分以及分子功能, 注释到这3个分类下基因数量最高的条目分别是细胞过程、细胞和结合。KEGG数据库主要从5个方面分析各代谢途径所受影响: 新陈代谢、遗传信息处理、环境信息处理、细胞过程和有机系统。成功注释到的基因分成35个组分, 其中主要的代谢途径按注释到的基因数目进行排序, 从高到低依次为信号传导、运输和分解代谢、内分泌系统等。
2.3 差异基因及代谢通路富集分析各实验组组间差异表达基因的统计结果如图 5所示, 与P1相比, P20、P50、P100绝大部分差异基因呈现下调趋势。其中, 随着实验给定的磷酸盐浓度升高, P20与P1相比有972个基因下调, 占总差异基因的78.2%; P50与P20相比有613个基因上调, 占总差异基因的55.6%; P100与P50相比有430个基因上调, 占总差异基因的63.2%。
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| 图 5 磷酸盐浓度梯度下卷转虫基因差异表达分析火山图 Fig. 5 Volcano plot of the differential gene expression in Ammonia spp. under phosphate concentrations gradients 注: 横坐标代表基因在不同实验组中表达倍数变化, 纵坐标代表基因表达量变化的统计学显著程度; 蓝色代表基因表达下调, 红色代表基因表达上调 |
根据KEGG富集结果, 通过Rich factor、FDR值和富集到该代谢通路上的基因个数来衡量富集的程度。其中, Rich factor指该代谢通路中富集到的差异基因个数与注释到的差异基因总数的比值。Rich factor越大, 表示富集的程度越大。FDR一般取值范围为0~1, 越接近于0, 表示富集越显著。挑选FDR值最小的即富集最显著的前20条KEGG代谢通路进行展示。从差异基因的KEGG富集分析气泡图(图 6)可知, 差异基因主要分布在信号传导、膦酸酯和次膦酸酯代谢、细胞周期、细胞凋亡、线粒体自噬、泛素介导的蛋白质水解等代谢通路上。
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| 图 6 磷酸盐浓度梯度下卷转虫基因差异表达分析气泡图 Fig. 6 Bubble of the differential gene expression in Ammonia spp. under phosphate concentrations gradients |
在KEGG差异基因富集的结果中, 与磷代谢直接相关的代谢通路有膦酸酯和次膦酸酯代谢、磷酸肌醇代谢及氧化磷酸化。其中, 膦酸酯和次膦酸酯代谢(phosphonate and phosphinate metabolism)作为当中差异富集最显著的通路受到我们的重点关注。另外, 差异基因还富集到Hippo、Hedgehog、PPAR、PI3K-AKT、TGF-β、MAPK等信号通路上。在信号传导的过程中, 存在由激酶和磷酸酶通过可逆磷酸化作用介导的分子开关[32-33], 因此, 卷转虫的许多信号传导过程间接受到磷酸盐的影响。在这里, 我们选取其中的PI3K-AKT信号通路(PI3K-AKT signaling pathway)进行重点分析。
2.4 膦酸酯与次膦酸酯代谢途径分析膦酸酯是以惰性C-P键为特征的化合物。化学分析表明, 膦酸酯在海洋中约占溶解和颗粒磷的10%, 而基因组和宏基因组研究表明, 大约10%的海洋原生生物和细菌(主要是放线菌门)能够进行膦酸酯生物合成[34]。此外, 海洋微生物可以通过膦酸酯矿化将膦酸酯氧化为无机磷酸盐或亚磷酸盐离子, 通过不同的代谢策略来为生物体提供磷[35]。越来越多的研究表明, 此前未曾关注过的磷的氧化还原反应或许在磷的生物地球化学循环中起到更重要作用[36-37]。
基于KEGG数据库中的代谢通路构建磷酸盐浓度梯度下卷转虫的膦酸酯和次膦酸酯代谢途径及其示意图(如图 7所示)。注释到的膦酸酯和次膦酸酯代谢通路的基因分为3类: 一是有关膦酸酯生物合成的基因(pepM), 二是特异性分解膦酸酯的水解酶/双加氧酶基因(phnAX), 三是有关磷脂合成的基因(PCYT12、EPT1、CPT1)。与P1组相比, P20、P50、P100组卷转虫的pepM和PCYT2基因表达均下调。值得注意的是, 与P20组相比, P50组中pepM、EPT1、CPT1基因表达均上调, 而P100组与P50组之间富集在该通路上的基因表达无明显差异。基因表达数据表明, P1组的卷转虫在磷酸盐浓度相对较低时促进了膦酸酯的合成; 而P50、P100组的卷转虫在磷酸盐浓度相对较高时提高了膦酸酯的代谢以及磷脂的合成。有研究表明, 在低无机磷条件下, 生物体优先利用阻力较小的溶解性有机磷(dissolved organic phosphorus, DOP)来维持细胞内磷的供应, 如磷酸酯(含磷酯键, 即C-O-P)再矿化; 但在高无机磷条件下, 特别是当氮受到限制时, 氨基膦酸酯(aminophosphonates, AEP)将优先于磷酸酯被消耗[35]。因此, P1组中的卷转虫的磷代谢策略可能有两种, 一是通过上调pepM基因的表达合成膦酸酯, 二是优先选择阻力较小的磷酸酯再矿化来获得磷。另外, 基因组和宏基因组分析得到的结果表明, 微生物中特异性分解代谢2-氨基乙基膦酸酯(2-aminoethylphosphonate, 2-AEP)的基因分布十分广泛[34, 38]。2-AEP是最普遍存在的天然膦酸酯, 它与许多海洋生物的聚糖、脂质和蛋白质结合, 可以同时作为磷和氮的来源[35, 39]。由于我们稀释了天然海水来调节盐度, 并没有额外添加氮源, P50及P100组的卷转虫可能通过基因调控优先消耗AEP来提供氮、磷和合成磷脂。这种2-AEP分解代谢策略对海洋环境中的任何生命都是有用的, 与其他生物相比, 只需要2~3个基因就可以降低基因保留的相对成本, 一些生物可以不受局部磷浓度的影响, 通过底物诱导基因调控从而循环2-AEP[35]。
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图 7 基于卷转虫转录组数据构建的膦酸酯和次膦酸酯代谢途径及其示意图 Fig. 7 Phosphonate and phosphine metabolic pathway and schematic diagram based on the Ammonia spp. transcriptome 注: 箭头旁边的直角矩形表示基因, 圆角矩形表示其他代谢途径。实线箭头(→)表示分子相互作用或关系, 虚线箭头( )表示间接联系或未知反应 |
磷脂酰肌醇激酶(phosphatidylinositol 3'-kinase, PI3K)是由调节亚基p85和催化亚基p110构成的二聚体。当它与下游酪蛋白激酶或G蛋白偶联受体结合后, 可改变蛋白激酶B(Akt)的结构并使其活化, 激活下游通路中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶或酪蛋白激酶可逆磷酸化, 以此来传递激活或抑制下游代谢过程的信号, 从而调节细胞的增殖、分化、凋亡以及迁移等表型[40]。
我们基于KEGG数据库中的代谢通路构建磷酸盐浓度梯度下卷转虫的PI3K-AKT信号通路。如图 8所示, 在本研究结果中, 与P1组相比, P20、P50、P100组富集在该通路上的10个差异基因均下调。其中, P50组与P20组相比, 下调的基因从10个减少至3个(Rac1、GSK3、YWHA); P100组与P50组相比, 存在5个上调基因(Rac1、GSK3、YWHA、Ras、AMPK)。由于磷酸盐的缺乏或过量都会对生物生存产生负面影响, 生物体会采取不同的信号传导策略传递不同的环境信息, 通过调控营养盐、脂质、蛋白质代谢及细胞周期和凋亡等相关基因表达来调节下游的分子功能[41-42]。根据PI3K-AKT信号通路基因表达差异分析的结果, 在磷酸盐浓度相对较低时, P1组卷转虫可能通过上调上游Gβγ、Ras和Rac1等信号开关的活性启动一系列信号级联反应, 激活或抑制下游靶点。主要包括上调“能量感受器”AMPK基因的表达促进脂肪酸氧化和糖酵解以补充细胞ATP, 减弱对GSK3基因的抑制以诱导细胞凋亡[43], 以及通过14-3-3蛋白(YWHA基因编码的蛋白)结合磷酸化的丝氨酸/苏氨酸肽段调节其进出核过程, 通过调控细胞周期来抑制细胞增殖[44]。这些下游通路的调控趋势均在转录组结果中得到了印证。其中, P1组PI3K-AKT信号通路下游中的mTOR信号通路和MAPK信号通路与其他组相比均有上调, 有证据表明它们在激活和诱导细胞自噬以维持营养代谢稳态方面发挥着重要作用[31, 45], 这可能也解释了我们在显微镜下观察到卷转虫部分壳体外圈存在空房室的原因。
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| 图 8 基于卷转虫转录组数据构建的PI3K-AKT信号传导途径 Fig. 8 PI3K-AKT signaling pathway of Ammonia spp. based on its transcriptome |
尽管磷是一种必需的营养物质, 但磷酸盐的过量滞留可能引起各种细胞毒性, 如加速异位钙化, 增加氧化应激, 信号传导失调和抑制细胞生长繁殖[33, 46]。在本研究结果中, 高磷浓度下卷转虫的基因表达调控呈现出促进细胞凋亡、抑制细胞增殖的趋势。随着磷酸盐浓度从50 μmol/L升高到100 μmol/L, 富集到细胞凋亡通路的基因表达表现出显著差异(图 6)。转录组结果显示, 富集到该通路的Cathepsin、α-tubulin、Actin等基因存在显著上调。而促使其上调的信号, 可能来源于卷转虫的高细胞密度和较高的胞外磷浓度。高细胞密度会激活上游Hippo信号通路的LATS1/2激酶磷酸化, 抑制转录共激活因子YAP和TAZ, 从而抑制细胞增殖和促进细胞凋亡[47]。此外, 大于40 mmol/L的细胞外磷酸盐会干扰细胞信号网络和细胞过程, 引起显著的细胞损伤, 高磷酸盐激活的AKT信号通过激活雷帕霉素靶点(mTOR)信号和阻断内质网应激来阻断磷酸盐转运, 促进细胞存活[48]。因此, 尽管基因表达数据表明卷转虫在细胞周期和增殖等方面已经受到了明显的抑制, 但其在高磷诱导下表观上仍然保持良好的存活状态, 说明卷转虫通过积极增强信号传导以实现磷代谢与细胞周期的调控, 在高磷浓度下维持细胞稳态, 展现了有孔虫强大的磷酸盐调节和适应能力。
3 结论本研究利用转录组测序技术, 分析了底栖有孔虫卷转虫在不同浓度磷酸盐下的基因表达变化, 揭示了其磷代谢策略和分子调控机制。在低浓度磷酸盐条件下, 卷转虫可能优选通过磷酸酯再矿化来维持细胞内磷平衡, 并合成膦酸酯作为磷储备。同时, 通过信号传导途径促进脂肪酸氧化和糖酵解以产生ATP, 激活细胞自噬和细胞凋亡。在高浓度磷酸盐条件下, 卷转虫可能特异性分解2-AEP以获取氮、磷营养, 并通过调控细胞周期抑制细胞增殖, 以抵抗高磷毒性并维持细胞稳态。底栖有孔虫在海洋磷循环中扮演着重要角色, 本研究为理解磷酸盐对有孔虫生长的影响提供了分子层面的证据, 并增进了对其在海洋磷循环中生物作用的认识。
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