《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Co-regulation of lipid and phytohormone biosynthesis in
Chlorella pyrenoidosa under salt stress: A transcriptomic perspective
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盐胁迫调控微藻Chlorella pyrenoidosa代谢重编程，实现脂质与植物激素（IAA、ABA、SA）协同高效积累，1.0% NaCl时脂质生产力达7.40 mg L?1 d?1，IAA和ABA产量分别为27.55和35.88 ng L?1。转录组分析揭示碳代谢与激素合成通路协同激活机制。
雷阳|冯高|何雅雪|尤菊萍|陈东志|加布里埃尔·阿西恩
浙江海洋大学石油化工与环境工程学院，中国舟山316000
摘要
微藻被广泛研究作为生物质和特定化合物（包括脂质）的生产平台；然而，尽管它们在农业应用中具有很高的相关性，但其合成内源性植物激素的能力却很大程度上被忽视了。在本研究中，通过施加盐胁迫作为代谢触发因素，促进了小球藻中脂质和植物激素的同时积累。1.0%的NaCl中等盐度被确定为最佳协同生产条件，其脂质产量达到最大值7.40 mg L?1 d?1，同时赤霉素（吲哚-3-乙酸，IAA）和脱落酸（ABA）的产量分别达到27.55 ng L?1和35.88 ng L?1。相比之下，在0.5%的较低盐度下，水杨酸（SA）的生物合成更为活跃，最大产量为6.51 ng L?1。转录组分析显示，盐度的增加诱导了协调的代谢重编程，表现为中央碳代谢和生物合成途径的上调，包括糖酵解、脂肪酸合成、甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径、莽草酸途径以及色氨酸代谢。这些途径共同提供了脂质和植物激素合成所需的碳骨架、还原力及前体。总体而言，这项工作揭示了盐胁迫如何驱动高能量密度脂质和生物活性植物激素的协同积累，突显了微藻作为脂质生产和增值农业生物刺激剂的双重用途平台的潜力。
引言
微藻是水生生态系统中的关键组成部分，对初级生产、养分循环和水质调节起着重要作用[29]。除了生态作用外，微藻作为多种应用的多功能生物资源也受到了越来越多的关注，包括碳封存[14]、[27]、生物燃料生产[1]、食品和饲料成分[26]，以及水产养殖和工业废水的处理[19]、[5]。近年来，微藻在农业中的潜在用途成为一个特别有前景的方向，这主要是由于需要可持续的投入来提高作物产量，同时减少对合成农用化学品的依赖。越来越多的证据表明，微藻生物质和提取物可以作为有效的生物刺激剂，改善种子发芽、植物生长、抗逆性和养分吸收[31]。这些有益效果不仅归因于微藻的营养组成（如大量营养素、微量营养素、氨基酸和多糖），还归因于它们合成和积累生物活性化合物（特别是植物激素）的能力。
与传统肥料不同，基于微藻的生物刺激剂主要通过植物的代谢和信号途径发挥作用，其中内源性植物激素如赤霉素、脱落酸（ABA）和水杨酸（SA）在调节植物发育、应激反应和适应性生长过程中起着核心作用[13]。重要的是，多项研究表明微藻能够内源性合成植物激素[11]。已在多种微藻物种中检测到吲哚-3-乙酸（IAA）、ABA和SA，含有这些化合物的提取物已被证明可以促进种子发芽和早期植物生长，例如在小麦等作物中的研究[25]、[3]。这些发现使微藻成为可再生和可持续的植物生长调节剂来源，进一步凸显了它们在农业生物刺激剂应用中的重要性。
环境条件对微藻的代谢和生化组成有显著影响。特别是淡水系统的逐渐盐碱化以及盐水和高盐度废水的增加，加剧了对微藻对盐胁迫生理反应的研究[2]、[28]。盐度被广泛认为是一种强大的代谢驱动因素，会诱导微藻中碳和能量通量的显著重编程，通常导致储存化合物（如脂质）的积累[44]、[48]。然而，虽然盐胁迫下的脂质积累已经得到了广泛研究，但对于盐度对内源性植物激素合成和积累的影响关注较少。
新兴证据表明，适度的盐胁迫可能刺激微藻中植物激素的生物合成，这是其内在适应机制的一部分。盐度会引起显著的生理和代谢重编程，影响渗透平衡、氧化还原稳态和碳分配，这些都是抗逆性的核心[28]。在盐条件下，微藻激活了涉及初级和次级代谢的保护性反应，从而为生物活性信号分子（如植物激素）的合成创造了有利条件[44]。因此，多项研究报道，在盐胁迫下产生的微藻生物质和提取物表现出增强的生物刺激活性，通常与赤霉素、ABA和SA浓度的增加相关[11]、[3]。这表明植物激素的积累是对渗透压和离子胁迫的适应性反应，有助于维持细胞稳态和抗逆性。
在代谢水平上，盐胁迫将碳通量重新导向糖酵解和戊糖磷酸途径，增强了生物合成过程所需的能量和还原力[23]、[6]。同时，与植物激素生物合成直接相关的途径（如莽草酸途径、色氨酸代谢以及甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径在胁迫条件下经常上调[24]、[9]。尽管存在这些概念上的联系，但控制微藻中植物激素积累的机制和环境条件仍不甚明了，这突显了进行系统生理和分子研究的必要性。
填补这一知识空白对于合理设计旨在最大化农业应用中植物激素含量的微藻培养策略至关重要。更深入地了解促进植物激素积累的条件将有助于有针对性地生产具有增强生物刺激特性的微藻生物质和提取物，从而推动更可持续和资源高效的农业系统的发展。在这方面，本研究探讨了盐胁迫作为小球藻中脂质和内源性植物激素协同积累的生理触发因素。通过结合生理分析和转录组谱分析，本工作旨在阐明盐条件下植物激素生物合成的代谢途径和调控机制，为在循环生物经济框架内优化基于微藻的生物刺激剂生产提供机制基础。
实验部分
微藻菌株和培养条件
本实验中使用的微藻菌株C. pyrenoidosa来自中国科学院水生生物学研究所。该菌株在实验前已在改良的TAP培养基中预培养[8]。微藻培养实验使用上述改良的TAP培养基，在锥形烧瓶中进行。根据这种培养基，设置了0%、0.5%、1.0%和3.0%的NaCl浓度，共五种实验条件
微藻生长和脂质积累
为了评估盐胁迫对C. pyrenoidosa生理表现的影响，系统分析了不同盐度水平下的微藻生长、生物量产量、脂质含量和脂质产量。如图1a所示，在0%、0.5%和1.0%的盐度下，C. pyrenoidosa的生长并未受到显著抑制，表明该淡水菌株对低盐和中等盐胁迫具有相对较高的耐受性。在这些条件下，生物量积累
结论
本研究表明，盐胁迫是促进C. pyrenoidosa中脂质和内源性植物激素协同积累的有效策略。1.0%的NaCl最佳盐度使脂质产量和植物激素产量实现了协同增强，脂质产量增加了19.4%，IAA产量增加了26.3%，ABA产量增加了15.1%。相比之下，较低的盐度（0.5% NaCl）更有利于SA的生物合成，产量增加了32.6%
CRediT作者贡献声明
何雅雪：研究。尤菊萍：研究。雷阳：撰写——初稿，研究。冯高：撰写——审阅与编辑，资源获取，概念化。陈东志：研究。加布里埃尔·阿西恩：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：22306167）和浙江省自然科学基金（项目编号：LY24B060005）提供的财政支持。
