《Algal Research》：Effects of selenite on growth and metabolism in
Chlamydomonas reinhardtii
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本研究针对莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)硒耐受机制不清的问题，通过多组学分析揭示6 mg/L亚硒酸钠可抑制光合作用基因表达，同时激活蛋白酶体和自噬通路，为微藻硒生物强化提供了关键阈值理论和代谢调控新靶点。
硒作为人体必需的微量元素，在抗氧化防御和免疫调节中发挥着关键作用。然而无机硒生物利用度低且具有毒性，如何安全有效地将无机硒转化为有机硒成为营养强化领域的重要挑战。微藻作为天然硒转化器，能够将无机硒转化为高生物利用度的硒蛋白和硒氨基酸，其中莱茵衣藻更因其含有与人类同源的硒蛋白合成系统而成为理想研究模型。但目前对莱茵衣藻硒耐受的分子机制认识不足，严重制约了硒强化微藻产品的开发优化。
针对这一科学问题，中国农业科学院都市农业研究所的研究团队在《Algal Research》上发表了最新研究成果，系统揭示了亚硒酸钠对莱茵衣藻生长和代谢的浓度依赖性效应。研究团队首先从富硒湖泊样品中分离得到莱茵衣藻RZTCr-1菌株，通过形态学观察和ITS2、RBCL基因序列分析确认其分类地位。随后采用浓度梯度实验评估藻株耐受性，结合叶绿素荧光测定、酶活性检测、电镜观察和转录组测序等技术，全面解析了亚硒酸钠对藻细胞生理代谢的影响。
3.1 亚硒酸钠对莱茵衣藻生长和光合性能的影响
研究人员比较了5个莱茵衣藻菌株的硒耐受性，发现RZTCr-1在10 mg/L亚硒酸钠下仍保持良好生长。浓度效应实验表明，低于6 mg/L的亚硒酸钠对藻细胞生长和光合参数Y(II)、Fv/Fm无显著影响，而≥6 mg/L则显著抑制光合作用，使叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量降低，但类胡萝卜素含量保持不变。这一结果确定了6 mg/L为亚硒酸钠抑制莱茵衣藻光合作用的临界阈值。
3.2 亚硒酸钠对莱茵衣藻硒蛋白基因表达和酶活性的影响
通过qPCR分析发现，亚硒酸钠处理显著上调了硒蛋白基因表达，其中GPX1在10 mg/L处理24小时后表达量提高119.01倍。酶活性检测显示，硒依赖型GPX占总GPX活性的90%以上，超氧化物歧化酶(SOD)活性也显著增强。硒形态分析表明，藻细胞内有机硒占比达93.56%，主要存在形式为硒代胱氨酸(SeCys2，占比>52.25%)和硒代蛋氨酸(SeMet)。
3.3 高浓度亚硒酸钠处理下莱茵衣藻合成纳米硒
在150 mg/L高浓度亚硒酸钠处理下，藻液呈现红色，扫描电镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDX)分析证实细胞内形成了平均直径130±20 nm的球形纳米硒颗粒。透射电镜(TEM)观察发现硒处理导致类囊体和叶绿体结构破坏，淀粉粒积累增加，细胞内出现电子致密的纳米硒颗粒和空泡。
3.4 亚硒酸钠处理下莱茵衣藻的转录组分析
转录组测序鉴定出8609个差异表达基因，其中3916个上调，4693个下调。KEGG富集分析显示，下调基因显著富集于光合作用-天线蛋白、光合作用和碳固定途径，而上调基因主要富集于蛋白酶体、内质网蛋白加工和自噬通路。硒化合物代谢通路中，硒代半胱氨酸裂解酶和硫氧还蛋白还原酶基因显著上调，多个硒蛋白基因如GPX1(上调14.93倍)和SelT(上调22.94倍)表达增强。
3.5 亚硒酸钠破坏莱茵衣藻的光合效率和能量生产
转录组数据表明，亚硒酸钠显著抑制了光合系统II(PSII)和光合系统I(PSI)相关基因表达，其中光捕获复合体II叶绿素a/b结合蛋白1基因下调59.3倍。三羧酸循环(TCA循环)关键限速酶基因如异柠檬酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶表达下调4.99-5.10倍，运动蛋白基因95%以上下调，表明能量供应和细胞内物质运输受阻。
3.6 亚硒酸钠正向调控莱茵衣藻的分解代谢
蛋白酶体通路36个基因全部上调，Rpn4基因上调98.36倍。自噬相关基因(ATGs)中，CrATG11上调23.75倍，而自噬负调控因子CrTOR和CrPP2A表达显著下调，表明亚硒酸钠通过激活蛋白酶体和自噬途径促进细胞分解代谢。
这项研究首次系统阐明了6 mg/L亚硒酸钠作为莱茵衣藻光合抑制与代谢重编程的关键阈值，揭示了硒胁迫下藻细胞通过上调硒代谢通路基因表达和激活分解代谢途径来适应逆境的双重策略。研究发现不仅为硒强化微藻生产提供了精确的浓度控制标准，也为理解真核藻类硒代谢调控网络提供了新视角。特别是莱茵衣藻合成纳米硒的发现，为绿色合成生物医用纳米材料开辟了新途径。该研究建立的多组学分析框架为后续靶向调控藻类硒代谢奠定了基础，对推进微藻硒生物强化技术和功能性食品开发具有重要指导意义。
