通过缩短光周期和降低温度的双重信号，有效促进Scytosiphon lomentaria种子的产生

评估光周期与温度对海藻幼苗生成的协同效应，揭示植物激素调控基因表达的机制。双信号处理显著促进丝状体诱导苗形成，转录组分析显示细胞周期、凋亡、组织分化等基因上调，ABA、IAA、GA和JA水平变化起主导作用，初步筛选出生物标志物用于诱导效果监测。

　　

钟明宇|李晓乐|郑彦欣|王俊毅|王大伟|张全胜

中国烟台大学海洋学院，烟台264001

摘要

由丝状体衍生出的幼苗被认为是促进Scytosiphon lomentaria大规模种植的一种成本效益高的方法，这种海藻受到东亚沿海消费者的青睐。环境信号在幼苗诱导过程中起着关键作用。本研究评估了光周期和温度对S. lomentaria丝状体衍生幼苗产生的影响，并探讨了其背后的机制。表型评估表明，通过缩短光周期和降低温度这两种信号可以有效地诱导幼苗形成。转录组分析显示，高效的幼苗诱导主要归因于与细胞周期进展、细胞凋亡和组织分化、细胞极性建立和不对称分裂、细胞壁合成以及活性氧物种平衡和信号传导相关的差异表达基因（DEGs）的普遍上调。通过搜索工具分析基因/蛋白质相互作用，发现这些与发育相关的DEGs之间存在广泛的潜在关联，支持它们在幼苗诱导中的协同作用。在不同诱导条件下，植物激素水平的变化及其与发育相关DEGs之间的潜在调控关系表明，在幼苗诱导过程中，脱落酸、生长素和赤霉素的作用比水杨酸、茉莉酸和乙烯更为显著。基于DEGs的表达模式，初步确定了幼苗诱导的候选生物标志物。这些结果为环境信号在丝状体衍生幼苗诱导中的关键作用提供了额外的见解。

引言

Scytosiphon lomentaria（Scytosiphonaceae科，褐藻门）是一种常见的海藻，广泛分布于全球的寒冷和温带海岸（Liu和Pang，2016）。由于它具有显著的碳封存能力以及高食用和药用价值（Ponce等人，2019），S. lomentaria受到东北亚沿海居民的青睐。然而，其自然资源无法满足日益增长的消费需求（Yan等人，2023），因此可靠的水产养殖变得尤为重要（Zang等人，2019）。在这种情况下，如Zhang等人（2023）所定义的由丝状体衍生出的幼苗被认为是一种实现S. lomentaria大规模种植的成本效益高的方法。然而，幼苗诱导的不稳定性仍然是一个主要瓶颈，这主要是由于对影响丝状体发育的环境信号研究不足（Zhang等人，2023），从而阻碍了其种植的扩展。

光周期和温度是影响藻类发育最重要的环境信号（Jiang等人，2024；Li等人，2024；Martins等人，2022），并且已应用于包括Saccharina japonica、Eucheuma和Porphyra在内的几种重要经济海藻的水产养殖中（Ateweberhan等人，2015；Zhang等人，2008）。在植物中，光周期和温度主要通过植物激素介导的发育相关基因的调节来调控发育（Scheres和van der Putten，2017），这些基因参与细胞周期进展、细胞凋亡、组织分化、细胞极性建立、不对称细胞分裂、细胞壁合成和活性氧物种（ROS）信号传导（Barnes和Anderson，2018；Bela等人，2015；Berry和Argueso，2022；Considine和Foyer，2014；Gutierrez，2022；Sun和Zhang，2022；Vaskebova等人，2018）。基于一些模式藻类和植物的基因组相似性（Nelson等人，2024；Denoeud等人，2024），预计这些环境信号也会以类似的方式调控藻类发育（Cui等人，2024；Matula等人，2022；Wang等人，2013）。这一观点得到了观察结果的证实，即藻类植物激素及其生物合成相关基因的水平都受到这些环境信号的调节（Cui等人，2025），并且外源性植物激素的应用可以调节藻类发育（Stirk和Van Staden，2014；Uji和Mizuta，2022）。

我们之前的研究表明，通过同时缩短光周期和降低温度（双重信号），可以在大约两周内从营养丝状体中诱导出S. lomentaria幼苗（Zhang等人，2023）。然而，在S. lomentaria中，双重信号诱导是否比任何单一信号诱导更有效仍待探索，而且植物激素水平和发育相关基因的调控机制也鲜有研究。此外，环境信号、植物激素水平和发育相关基因之间的关系仍不清楚。为了解决这一知识空白，我们提出了双重信号可能通过更有效地调节涉及环境信号、激素水平和发育相关基因的层级级联反应而在幼苗诱导中更有效的假设。

为了验证这一假设，

我们根据因子实验设计对S. lomentaria

的营养丝状体施加了不同的环境信号，包括缩短的光周期和降低的温度。评估了这些环境信号对幼苗诱导的影响，探讨了参与幼苗诱导的植物激素和发育相关基因，并分析了植物激素与这些发育相关基因之间的潜在调控关系。此外，还提出了幼苗诱导状态的初步候选生物标志物。

实验材料和处理

本研究中使用的S. lomentaria菌株样本最初于2021年从中国山东烟台市长岛的海域采集。所有藻类丝状体均来自该菌株，并在我们的实验室中以22°C的温度、60 μmol·m^?2·s^?1的光强度和12:12的光暗周期条件下进行培养。

在缩短的光周期和降低的温度条件下诱导出丝状体衍生幼苗。根据因子实验设计，采用了四种不同的组合

幼苗诱导的表型评估

诱导7天后，在所有实验条件下都观察到了丝状体的细胞增大（图1A、D和G与B、E和H相比）。然而，在降低的温度和双重信号条件下，细胞增大更为明显。诱导14天后，在降低温度和双重信号处理的组中出现了幼苗，而在仅缩短光周期处理的组中则没有（图1A、D和G与C、F和I相比）。此外，更多的幼苗

降低的温度是幼苗诱导的主要环境信号

不同的幼苗诱导结果表明，降低的温度是幼苗诱导的主要环境信号，尽管通过同时缩短光周期可以进一步提高其诱导效率。在Grateloupia turuturu和Sargassum polycystum中也观察到了类似的现象，其中温度在其发育中起着更重要的作用，而光照强度或光周期的影响有限（Wei等人，2013；Zou等人，2018）。然而，光周期

结论

总之，这些结果强调了通过缩短光周期和降低温度这两种双重信号实现高效幼苗诱导的作用，展示了其在S. lomentaria大规模种植中的应用潜力。基于本研究的结果，提出了以下机制模型：（1）双重信号更有效地触发了ABA、IAA、GA和JA（这些也与发育相关DEGs广泛相关）水平的变化。（2）触发的植物激素变化

CRediT作者贡献声明

钟明宇：撰写——初稿，可视化，验证，软件使用，研究，正式分析，数据管理。李晓乐：可视化，软件使用，方法学，研究，正式分析。郑彦欣：软件使用，方法学，研究，正式分析。王俊毅：概念构思，资金获取，撰写——审阅与编辑。张全胜：撰写——审阅与编辑，监督，资源管理，项目协调，

未引用的参考文献

Cock等人，2010

利益冲突声明

本手稿的提交不存在利益冲突。所有作者均同意发表该手稿。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，之前未在其他地方发表过，也未被考虑用于其他出版物。所有列出的作者均已批准所附的手稿。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42476112）和山东省地质与矿产资源局项目（资助编号：HJ202510）的财政支持。