盐胁迫下92株栅藻科绿藻的生长与色素变异

《Journal of Applied Phycology》：Growth and pigment variation of 92 green algal strains (Scenedesmaceae) under salinity stress

　　

淡水微藻常分布于河口与泻湖等过渡生境，盐度波动会引发生理失衡，导致渗透失调、离子毒害及细胞内活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）过量积累。为应对此类胁迫，微藻采取离子转运调控、渗透调节物质积累及抗氧化防御系统等生理策略。其中，类胡萝卜素（Carotenoids）兼具光合作用辅助色素与强效抗氧化剂双重功能，可清除单线态氧与过氧自由基，保护细胞组分。除生态功能外，类胡萝卜素因作为天然抗氧化剂具有重要商业价值，已成为生物技术开发的热点。栅藻科（Scenedesmaceae）淡水绿藻的次级代谢产物合成能力赋予其多样的非生物胁迫耐受性。本研究针对92株栅藻科菌株，在对照组（0 psu）与盐胁迫组（30 psu）条件下开展为期4周的培养实验，系统分析生长动态与色素含量变化。结果表明，5株菌株在对照条件下表现出极高的色素生产效率，46株菌株可在盐胁迫下存活；值得注意的是，8株菌株在盐胁迫下的色素积累水平显著高于对照组。系统发育分析显示，盐胁迫适应能力呈物种或菌株特异性。上述发现为解析绿藻盐适应机制提供了新视角，同时凸显了该类群在生物技术领域的应用潜力。

研究背景

淡水微藻广泛分布于河口、泻湖等盐度波动显著的过渡生境，高盐环境引发的渗透失衡、离子毒害及活性氧爆发会严重抑制生长甚至导致死亡。为维持细胞稳态，微藻演化出离子转运调控、渗透调节物质合成及抗氧化防御等多重适应机制。其中，类胡萝卜素作为兼具光捕获与抗氧化功能的次级代谢产物，在盐胁迫响应中发挥关键作用，其商业化提取价值进一步推动了相关研究。栅藻科绿藻因生长速率快、次级代谢产物丰富，已成为生物技术领域的重要研究对象，但现有研究对大规模菌株群体的盐胁迫响应规律及进化模式仍缺乏系统性认知。为此，研究人员针对92株栅藻科代表菌株开展跨物种比较分析，旨在揭示盐胁迫下的生长与色素变异规律，筛选高耐受、高产物积累潜力的候选菌株，为微藻资源开发提供理论支撑。该研究成果发表于《Journal of Applied Phycology》。

关键技术方法

研究选用来自CCAP、FBCC、NIES、SAG、UTEX等国际保藏机构的92株栅藻科淡水绿藻构建样本队列。所有菌株在无菌条件下培养于2 N Bold’s Basal Medium，设置对照组（0 psu）与盐胁迫组（30 psu，NaCl调节）进行4周培养。每周测定生长参数（光密度OD₇₅₀）与形态变化，采用二甲基亚砜（Dimethyl Sulfoxide, DMSO）萃取法测定叶绿素a（Chlorophyll a, Chl-a）、叶绿素b（Chlorophyll b, Chl-b）及总类胡萝卜素含量，并通过干重法校正色素含量。分子层面，提取基因组DNA后扩增内部转录间隔区2（Internal Transcribed Spacer 2, ITS2）序列，经Sanger测序与序列比对后，利用最大似然法（Maximum Likelihood, ML）构建系统发育树，分析盐耐受性的进化模式。

研究结果

生长与色素含量（对照组）

92株菌株涵盖19个属，形态以椭圆形、具尖顶的单细胞或2–4细胞群体为主，部分Tetradesmus属菌株形成8细胞群体，Desmodesmus属菌株普遍具刺状结构。对照组中，菌株比生长速率（μ）范围为0.048–0.199 day^-1，仅Desmodesmus sp. FBCC-A1465表现为显著高增长速率；色素含量差异可达10–20倍，4株菌株Chl-a、2株菌株Chl-b、1株菌株总类胡萝卜素含量显著偏高。通过计算色素生产效率（Pigment Productivity Efficiency, PPE，色素含量×比生长速率），筛选出5株综合表现优异的菌株：Pectinodesmus sp. FBCC-A0149（Chl-a PPE显著高）、Tetradesmus obliquus FBCC-A0471与FBCC-A0869（Chl-b PPE显著高）、Desmodesmus pseudoperforatus FBCC-A0043、Pectinodesmus sp. FBCC-A0149及Desmodesmus armatus FBCC-A0245（总类胡萝卜素PPE显著高）。

盐胁迫对生长与色素含量的影响

30 psu盐胁迫下，46株菌株存活，其中仅5株（FBCC-A0429、FBCC-A1011、UTEX 1537、FBCC-A1006、SAG 32.88）比生长速率接近对照组范围，UTEX 1537、FBCC-A0429、FBCC-A1011相对生长率超过50%，为高耐盐菌株；其余存活菌株生长受抑，15株仅维持极低生长速率。存活菌株平均色素含量均低于对照组，但6株Chl-a、8株Chl-b、13株总类胡萝卜素含量较对照组升高；排除5株低生长伴随色素积累的菌株后，剩余8株在高盐下仍维持有效生长且色素积累增强，包括Tetradesmus dissociatus UTEX 1537（Chl-b与总类胡萝卜素升高，细胞膨大）、Coelastrella vacuolata SAG 211-8b（所有色素翻倍，形成胶群体）、Hylodesmus singaporensis CAUP H8001（Chl-b升高3倍、总类胡萝卜素升高2倍，细胞膨大呈黄绿色）等。

92株绿藻盐胁迫适应的进化关系

基于ITS2序列的ML树显示，Tetradesmus（BS 98%）、Desmodesmus（BS 93%）、Scenedesmus（BS 100%）等属为单系群。盐胁迫适应类型标注表明：Tetradesmus属多数菌株不耐受，仅6株存活；Desmodesmus属14株耐受，但其系统位置与不耐受菌株紧密聚类；Coelastrella属除SAG 2195外均耐受；Scenedesmus、Pectinodesmus、Hariotina属各仅1株耐受。整体来看，同属内耐受性与系统发育无显著关联，支持盐适应为物种或菌株特异性特征。

讨论与结论

讨论部分指出，PPE指标可有效整合生物量与色素积累效率，筛选出的高PPE菌株覆盖多个属，为工业化色素生产提供了候选资源。尽管多数菌株盐胁迫下生长下降，但8株存活且色素升高的菌株展现了“胁迫促产物积累”的特性，适用于两阶段培养体系（生物质生产与高值产物积累分离）。系统发育分析明确盐适应非保守性状，而是独立演化形成，可能与离子转运蛋白富集、基因转录调控、等位基因分化及水平基因转移等机制相关。未来需结合梯度盐度实验进一步解析适应机制的多样性。

结论部分强调，本研究首次在大样本尺度揭示了栅藻科的盐胁迫响应异质性：5株菌株在对照条件下具高PPE，8株菌株在高盐下实现生长与色素积累双赢；盐适应呈菌株特异性，不受系统发育约束。这些结果为微藻抗逆育种与高值化合物规模化生产提供了关键基础数据，也为理解淡水微藻的环境适应进化提供了新证据。