《SCIENCE ADVANCES》：Induction of collective behavior by β-1,3-glucans in microalgae
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本研究针对β-1,3-葡聚糖在藻类中仅作为碳储存分子的传统认知，通过以莱茵衣藻为模型，揭示了其在应激诱导的细胞聚集行为中的新型信号功能。研究人员发现β-1,3-葡聚糖合成酶（BGS）和降解酶（BGL）共同调控聚集过程，BGL1/BGL2缺失或外源β-1,3-葡聚糖处理均可诱导聚集，且该过程与光合作用及活性氧信号相关。该发现为理解藻类环境适应机制、多细胞演化及β-1,3-葡聚糖在生态与医学中的应用提供了新视角。
在浩瀚的海洋与淡水生态系统中，微藻扮演着至关重要的角色，它们通过光合作用固定大量的二氧化碳，是地球碳循环的关键参与者。其中，β-1,3-葡聚糖（β-1,3-glucans）作为一类重要的多糖分子，在褐藻中以昆布多糖（laminarin）形式存在，在硅藻中以金藻多糖（chrysolaminarin）形式存在，长期以来被认为是藻类储存光合作用产物的主要形式，其年产量估计高达120亿吨，对全球碳汇有着巨大贡献。此外，在植物与动物的免疫系统中，β-1,3-葡聚糖也被识别为病原体相关分子模式（PAMP），能够激发免疫反应以对抗病原真菌，甚至显示出抗癌潜力。然而，对于像莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）这类以淀粉为主要储能分子的绿藻而言，β-1,3-葡聚糖的存在与否及其潜在功能一直是个未解之谜。
莱茵衣藻是一种单细胞绿藻，是研究光合作用、鞭毛功能等重要生命过程的经典模式生物。有趣的是，莱茵衣藻在遭遇环境胁迫（如热激、氧化应激）时，会表现出一种独特的“集体行为”——细胞聚集（aggregation），形成多细胞聚集体，这被认为是一种适应恶劣环境的生存策略。此前的研究发现，在发生聚集的衣藻突变体（称为socializer或saz突变体）的分泌蛋白质组中，有两种β-1,3-葡聚糖酶（β-1,3-glucanase, BGL）的表达水平显著下调，这提示β-1,3-葡聚糖的代谢可能参与了聚集过程的调控。但β-1,3-葡聚糖是否真的在衣藻的聚集行为中发挥作用，以及其具体机制如何，尚缺乏直接证据。
为了回答这些问题，研究人员在《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）上发表了他们的最新研究成果。他们通过分子遗传学、生物化学、细胞成像、转录组学和比较基因组学等多种技术手段，系统地探究了β-1,3-葡聚糖在莱茵衣藻胁迫诱导细胞聚集中的新功能。
为开展此项研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术：利用CLiP突变体库获取β-1,3-葡聚糖代谢相关基因（BGL和BGS）的敲除突变体并进行基因型验证；通过细胞表型分析（包括细胞聚集面积量化、细胞死亡率检测）评估基因功能；采用特异性荧光染料（苯胺蓝和伴刀豆球蛋白A-FITC）进行细胞原位β-1,3-葡聚糖定位与检测；利用RNA测序技术分析β-1,3-葡聚糖处理后的转录组动态变化；以及基于大规模基因组和转录组数据的比较基因组学分析，追溯β-1,3-葡聚糖代谢相关基因在Volvocales藻类中的进化历程。
BGL是聚集的负调控因子
研究人员首先关注了在聚集突变体分泌组中下调的两个BGL（BGL1和BGL2）。他们从CLiP库中获得了相应的突变体，并证实其基因表达被有效抑制。表型分析发现，bgl1和bgl2突变体在标准培养条件下会自发形成肉眼可见的聚集体，这与BGL蛋白在聚集条件下下调的表达模式一致，表明BGL是细胞聚集的负调控因子。
β-1,3-葡聚糖是聚集的特异性诱导子
基于BGL缺失导致聚集的发现，研究人员推测细胞内β-1,3-葡聚糖的积累可能驱动了聚集。他们用外源β-1,3-葡聚糖（昆布多糖）处理野生型衣藻，结果发现这确实能以剂量依赖的方式诱导细胞聚集。重要的是，这种诱导不伴随细胞死亡，这与之前已知的能诱导聚集和程序性细胞死亡（PCD）的胁迫（如玫瑰红、热激）不同，说明β-1,3-葡聚糖是聚集的特异性诱导子。进一步实验表明，这种诱导作用对昆布多糖的结构具有特异性，来自细菌或酵母的其他类型β-1,3-葡聚糖（如curdlan, zymosan）效果不佳。
1,3-β-葡聚糖合成酶是聚集发生所必需的
既然β-1,3-葡聚糖的积累能诱导聚集，那么负责其合成的1,3-β-葡聚糖合成酶（BGS）必然也参与其中。研究人员通过同源比对在衣藻基因组中鉴定了三个可能的BGS基因（BGS1, BGS2, BGS3）。对相应突变体的分析显示，bgs1突变体在多种胁迫条件下完全丧失了聚集能力，而bgs2和bgs3突变体仍能部分聚集，表明BGS1是聚集形成的关键酶。用外源昆布多糖处理bgs1突变体可以部分恢复其聚集能力，进一步证实了BGS1通过合成β-1,3-葡聚糖来调控聚集。
在聚集背景下检测和定量β-1,3-葡聚糖
为了直观证实β-1,3-葡聚糖在聚集过程中的产生和定位，研究人员使用了特异性荧光染料苯胺蓝进行标记。在野生型单细胞中几乎检测不到β-1,3-葡聚糖信号，但在bgl1和bgl2突变体的聚集体中，β-1,3-葡聚糖清晰可见，主要位于细胞壁以及细胞之间的连接处。在热激诱导的聚集过程中，β-1,3-葡聚糖在聚集发生早期（4小时）即出现，且特异性地定位在鞭毛基部；到聚集体形成时（48小时），其分布则与bgl突变体相似。这表明β-1,3-葡聚糖的产生是聚集的早期事件，并可能在细胞粘附中发挥作用。
转录组学鉴定β-1,3-葡聚糖诱导聚集的可能细胞后果
对β-1,3-葡聚糖处理2小时和8小时的衣藻进行转录组分析，揭示了早期的基因表达变化。处理2小时后，最显著的变化是与碳浓缩机制（CCM）相关的基因被强烈下调，而与铁吸收相关的基因则被上调。此外，一些与DNA修饰、细胞外基质、氧化应激等相关的基因也发生变化。到8小时，基因表达变化的数量和幅度均减弱，且与2小时的重叠基因很少，表明存在时间特异性的调控。CCM的下调可能会影响光合作用效率，导致活性氧（ROS）的产生。
光和单线态氧信号参与聚集反应
鉴于转录组数据提示CCM下调可能影响光合作用，研究人员检测了β-1,3-葡聚糖处理后单线态氧（1O2）的产生。发现从处理后2小时到6小时，持续有少量细胞产生1O2。由于1O2的产生依赖于光，他们比较了光照和黑暗条件下β-1,3-葡聚糖诱导聚集的效率，发现黑暗条件下的聚集程度显著低于光照条件。这表明由光驱动的、可能源于光合作用改变的1O2信号参与了聚集反应的调控。
系统发育分析表明β-1,3-葡聚糖代谢在Volvocales中特异性进化
通过对超过3000个原核和真核生物基因组的比较分析，研究人员追溯了BGL和BGS基因的进化历史。发现BGS同源物在绿色植物谱系中分布广泛，而三类BGL同源物则显示出不连续的分布模式，特别是在Volvocales目（包括莱茵衣藻、盘藻、团藻等）的物种中最为集中和多样。值得注意的是，拥有全部三类BGL的四个Volvocales物种（莱茵衣藻、盘藻、四鞭藻和团藻）都表现出聚集行为或群体/多细胞生活方式。系统发育树分析还提示，其中一类BGL（BGL3-BGL5）可能通过水平基因转移从黄藻纲藻类或细菌中获得。这表明β-1,3-葡聚糖代谢酶，尤其是BGLs，在Volvocales的近期进化中发生了特异性演化，可能与群体行为和多细胞化的出现相关。
综上所述，本研究首次在莱茵衣藻中揭示了β-1,3-葡聚糖 beyond 碳储存的新功能——作为胁迫响应性细胞聚集的关键信号分子。研究构建了一个由BGS（特别是BGS1）合成、BGL（BGL1/BGL2）降解的β-1,3-葡聚糖动态平衡模型来精确调控聚集过程。该过程涉及早期光合作用相关基因（如CCM）的重编程、活性氧（尤其是1O2）信号的产生，以及光依赖性的调控。比较基因组学证据进一步将β-1,3-葡聚糖代谢与Volvocales藻类从单细胞向群体/多细胞生活方式的演化联系起来。
这项研究的意义重大。首先，它拓展了我们对β-1,3-葡聚糖生物学功能的认识，从传统的储能分子和免疫激发子，延伸到调控单细胞生物群体行为的环境信号分子。其次，它为理解藻类如何通过细胞聚集适应环境胁迫提供了新的分子机制。再者，研究结果暗示了藻类种间竞争中可能存在基于β-1,3-葡聚糖的“化学对话”，从而影响水生生态系统的群落结构和碳循环（例如通过促进生物碳泵）。从生物技术角度看，利用β-1,3-葡聚糖非毒性诱导藻类细胞聚集，为微藻生物质（如用于生物燃料生产）的低成本采收提供了新策略。最后，作为基础细胞生物学研究，在单细胞模式生物莱茵衣藻中解析的β-1,3-葡聚糖信号通路，也可能为理解其在动植物中的功能提供新的线索。总之，该研究开启了一系列关于这种古老分子在生态、演化、农业和医学中扮演多重角色的新探索方向。
