《Marine Environmental Research》：Transcriptomic Regulatory Mechanisms of Zostera caespitosa under Different Temperatures
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江瑞通|蔡璐怡|高晓峰|沈一飞|吴嘉欣|刘韶|吴美琴|吴海龙|张建恒|何培民上海海洋大学海洋科学与生态科学学院，中国上海 201306摘要为了研究水生植物Zostera caespitosa对温度胁迫的分子机制，本研究分析了其在低温和高温胁迫下的转录组响应特征。通过对Z. cae
江瑞通|蔡璐怡|高晓峰|沈一飞|吴嘉欣|刘韶|吴美琴|吴海龙|张建恒|何培民
上海海洋大学海洋科学与生态科学学院，中国上海 201306
摘要
为了研究水生植物Zostera caespitosa对温度胁迫的分子机制，本研究分析了其在低温和高温胁迫下的转录组响应特征。通过对Z. caespitosa在5°C（低温）和25°C（高温）条件下的转录组测序，并结合GO功能注释和富集分析、KEGG通路富集分析以及WGCNA基因共表达网络分析，系统地解析了差异表达基因（DEGs）的功能及其与表型特征的关联。结果表明，Z. caespitosa对低温和高温的响应策略存在显著差异。在5°C时，基因表达调控主要集中在增强膜稳定性（如膜成分和亚油酸代谢）和蛋白质处理上，同时抑制了核糖体生物合成和光合作用等耗能过程。在25°C时，响应特征涉及油菜素生物合成的激活、激素信号传导以及其他与生长相关的通路，光合作用相关基因也受到抑制。WGCNA分析进一步确定了MEred和MEturquoise两个关键共表达模块，其中MEred模块与生物量和光合参数显著正相关，并且在高温下显著上调，揭示了核心基因网络在协调生长和胁迫响应中的重要作用。本研究系统揭示了Z. caespitosa对温度胁迫的复杂转录组调控网络，为深入理解水生植物的抗胁迫机制提供了重要的分子基础。
引言
海草床由单子叶沉水植物组成，是重要的海洋生态系统，在全球碳循环、生物多样性维持和海岸稳定中发挥着不可替代的作用（Waycott等人，2009年）。然而，在人类活动和全球气候变化的双重影响下，全球海草床正以每年110平方公里的速度消失（Waycott等人，2009年）。韩国、澳大利亚、荷兰等地区的海草床面积急剧减少（Park和Lee，2007年；van Katwijk等人，1998年；Walker和Mccomb，1992年）。在中国，广西合浦的海草床面积在2000年左右减少了85%以上，山东半岛现有的海草物种数量相比20世纪减少了30%（Deng Chaobing，2002年；Fan Hangqing等人，2009年）。在气候变暖的背景下，海洋温度的持续上升已成为海草床减少的关键驱动因素之一。深入理解海草对温度胁迫的分子响应机制对于其保护和生态恢复具有重要的科学意义。
温度是调节海草生长、发育和生理代谢的关键环境因素。研究表明，在一定范围内，海草的光合作用、生长速率和养分吸收随温度升高而增加，但超过最佳温度范围后会受到显著抑制（Beca-Carretero等人，2021年）。Zostera caespitosa主要分布在中国山东和辽宁的3-6米深的浅海水域（Fan Hangqing等人，2009年），其生理过程对温度变化非常敏感。高温胁迫会导致关键光合酶活性下降、电子传递速率（ETR）降低以及Z. caespitosa中的光合色素含量减少（Gao等人，2019年；Hansen等人，2022年；Jiang等人，2024年），而低温胁迫也会影响其代谢活动和生长表现。然而，目前关于Z. caespitosa对不同温度胁迫响应的生理和生态研究大多集中在表型水平（Kim等人，2023年；Jiang等人，2024年），其分子调控机制仍不清楚，特别是其在低温和高温胁迫下的转录组响应差异及其与表型特征的关联，这些仍需要系统分析。
转录组技术为揭示植物胁迫响应的分子机制提供了有力工具（Wang Shenchang等人，2016年）。在海草研究中，转录组分析表明，Zostera marina在高温胁迫下激活了蛋白质折叠、DNA修复和细胞凋亡抑制等胁迫响应通路（Franssen等人，2011年；Traboni等人，2018年），以及与细胞过程、膜过程和催化活性相关的基因差异表达（Chen等人，2019年；Li Hong，2016年）。然而，这些研究大多集中在单一温度胁迫上，缺乏对低温和高温胁迫下转录组调控策略差异的比较分析。此外，传统的差异基因功能富集分析可以识别关键通路，但难以建立基因表达模式与复杂表型特征之间的直接联系。加权基因共表达网络分析（WGCNA）可以通过构建基因共表达模块并将其与表型数据关联起来，系统地识别调控关键特征的核心基因网络（Shi等人，2025年），在玉米和水稻等作物的非生物胁迫研究中显示出强大的应用潜力，但在海草温度适应研究中尚未有相关报道。
基于此，本研究以Z. caespitosa为研究对象，利用转录组测序技术系统分析了其在低温（5°C）、最佳温度（15°C）和高温（25°C）条件下的基因表达特征。结合GO/KEGG功能富集和WGCNA共表达网络分析，系统解析了DEGs的功能及其与生物量和光合参数等表型特征的关联。本研究旨在回答以下科学问题：（1）Z. caespitosa在低温和高温胁迫下的转录组调控策略有何差异？（2）哪些关键基因模块与温度适应表型显著相关？（3）这些核心基因网络如何协调生长和胁迫响应？本研究将为深入理解海草的温度适应分子机制提供重要的理论基础，并为筛选抗胁迫种质和进行海草床保护的分子育种提供科学依据。
章节摘录
实验材料与培养条件
Zostera caespitosa于2020年7月从山东荣城的沿海水域采集（采样时自然水温为24.2°C）。采集后，立即将其转移到实验室，用人工海水（盐度25 ppt）冲洗以去除表面附着物和沉积物，然后转移到水族箱中进行7天的预培养。预培养条件为：温度15-20°C，光照强度50 μmol m-2 s-1，光照周期12小时光照/12小时黑暗。
差异表达基因的鉴定
以最佳温度组（15°C）作为对照，分析了低温组（5°C）和高温组（25°C）的DEGs。温度胁迫导致Z. caespitosa中大量基因的表达发生显著变化（图1，补充图S1和S2）。
在低温胁迫下，鉴定出1,971个DEGs，其中1,458个上调，513个下调，上调基因的数量大约是下调基因的2.84倍。
讨论
高通量转录组测序是功能基因组学研究中的重要技术。通过数字基因表达分析，它可以快速检测不同组织、发育阶段和胁迫条件下的差异表达基因，在功能基因组学研究中发挥着关键作用（Wang Shenchang等人，2016年）。在胁迫条件下，许多与胁迫相关的基因在转录水平上显著上调，主要是由于
结论
本研究通过GO和KEGG功能注释及富集分析以及WGCNA共表达网络分析，系统阐明了
Z. caespitosa对低温和高温胁迫的转录组调控机制。主要结论如下：
- (1)
低温胁迫下的转录组调控特征。在5°C时，Z. caespitosa的基因表达发生了特定变化。GO注释显示，细胞
CRediT作者贡献声明
高晓峰：撰写——审稿与编辑、软件、方法学、正式分析。沈一飞：撰写——审稿与编辑、正式分析。蔡璐怡：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学、正式分析、数据管理。张建恒：监督、项目管理、资金获取。何培民：监督、项目管理、资金获取。江瑞通：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、软件、方法学、调查。
未引用参考文献
Deng, 2002; Fan et al., 2009; Li, 2016; Li and Zhang, 2009; Wang et al., 2016; Zhao et al., 2016; Zhou et al., 2020.
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3208404）、国家重点研发计划（2017ZX07205003-R05）、中国国家科技支撑计划（2012BAC07B03）、上海自然科学基金（21ZR1427400）、上海科技发展基金（20DZ2250700）以及都市区土地空间生态修复技术创新中心（CXZX202006）的资助。
