本文由Yancy Yang编译，十九、江舜尧编辑。
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导读
浮游植物水华是海洋中的自然现象，是某些浮游植物在特定环境中迅速生长的结果。然而，鲜为人知的是，在浮游生物水华过程中出现的的分子变化。因此，本文比较了东海沿岸两种浮游植物赤潮异弯藻和东海原甲藻的蛋白组功能差异变化。赤潮异弯藻和东海原甲藻占非水华样品浮游植物群落蛋白质丰度的7.82%和4.74%。然而，它们在各自的水华样本中所占比例分别为60.13%和78.09%。与东海原甲藻相比，赤潮异弯藻具有较高的采光复合蛋白、碳酸酐和核酮糖二磷酸羧化酶。赤潮初开的细胞表达了更多的与外部营养获取相关的蛋白质，如碳酸氢盐转运蛋白SLC4、铵转运蛋白、亚硝酸盐转运蛋白和碱性磷酸酶，而东海原甲藻的细胞则高度表达与外部和内部营养获取相关的蛋白质。氨基酸转运体、5’-核苷酸酶、酸性磷酸酶、三肽基肽酶等有机营养利用。采光能力强，无机碳、氮、磷的获取和同化，在高浑浊度和无机营养充足的条件下促进了赤潮的形成，而在有机营养方面具有竞争优势。在无机养分不足的条件下，三聚体的获得和重新分配保证了东海原甲藻水华的发生。这项研究强调了元蛋白质组学对于揭示不同共存浮游植物物种的潜在分子行为的强大作用，并使我们对浮游植物水华的形成有了更深入的了解。
原名：Comparative metaproteomics reveals functional differences in the blooming phytoplankton Heterosigma akashiwo and Prorocentrum donghaiense
译名：借助蛋白组学揭示赤潮和东海原甲藻浮游植物的功能差异
期刊：APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY
IF：4.077
发表时间：2019
通信作者：王大志
通信作者单位：厦门大学海洋环境科学国家重点实验室环境与生态学院
2014年5月1日至21日，通过对Za和Zb断面各站的日常调查，对沿海生态系统春季浮游植物水华进行了现场取样（图1）。在取样过程中，物理海洋学参数由船上CTD监控。在每个取样站，收集三个50 ml的表面海水样品（1 m），并用Lugol溶液固定，进行显微镜检查。为避免DIEL干扰，每天11:00至14:00，采用相同的程序采集CHL A、18S rDNA和蛋白组学分析的所有样本。表面海水样品（1 m）首先通过200μm尼龙网过滤，然后通过1.6μm gf/a膜（WhatmanTM，GE Healthcare Life Science）。在每个采样站采集三个200毫升的地表海水样品，用于CHL A和营养物测量。过滤膜保持在-20°C进行CHL A分析，滤液冷冻进行营养分析。在每个取样站收集两个1L的地表海水样品，过滤膜在-20°C下储存，用于18S rDNA分析。为了进行蛋白质组学分析，收集了两个30-60L的表层海水样品，滤液立即冷冻在液氮中，然后转移到-80°C下储存。
图1现场调查取样地点。Za和Zb横断面上的每个点代表取样站。5月2日和7日在Za3（star）站采集了未水华（nb）和水华赤潮异弯藻（BHA）样品，5月21日在Zb7（star）站采集了水华东海原甲藻（BPD）样品。
1. 水华期叶绿素A（CHL A）和营养素的变化。
2014年5月1日至21日，在沿海生态系统中发现了两种共存的浮游植物赤潮异弯藻和东海原甲藻的水华过程（图1和图2）。5月1日至5月2日，在Za和Zb断面的每个站点检测到了极低的赤潮异弯藻和东海原甲藻细胞密度。赤潮异弯藻的细胞密度从5月2日起在Za3站增加，然后开始径向水华，并迅速蔓延到调查区，覆盖了Za和Zb两个断面。在Za3站，CHL A浓度从5月2日的2.82μg/L增加到7日的6.3μg/L，5月9日达到峰值9.67μg/L左右，5月12日降至1.96μg/L。在赤潮期间，东海原甲藻细胞几乎未被发现。赤潮异弯藻水华结束时，东海原甲藻水华的细胞密度从5月13日开始迅速增加，并在Zb7站开始水华。Zb7站从5月13日到21日，CHL A浓度从2.54增加到6.2μg/L。水华的浮游植物细胞迅速消耗海水表层中的营养物质，无机营养物质浓度与叶绿素a呈负相关。赤潮爆发前，Za3站5月2日硝酸盐、氨和磷酸盐浓度分别为26.99、5.3和1.34μm，5月7日分别变为19、7.54和0.03μm。在赤潮消能期，5月12日硝酸盐、氨和磷酸盐的浓度分别为7.59、3.09和0.04μm。东海原甲藻水华期，5月13日硝酸盐、氨和磷酸盐的初始浓度分别为15.68、5.8和0.11μm，5月21日分别为2.5、3.47和0.21μm。选取3个浮游植物标本进行蛋白组学分析，它们分别代表未水华期(NB)、赤潮异弯藻水华期(BHA)和东海原甲藻水华期(BPD)。分别从NB、BHA和BPD样品中得到310084±31857、327175±71775和451063±26774 MS/MS谱。利用组合序列数据集，经MS/MS谱的2.45±0.23%、8.6±1.32%和5.22±0.60%，鉴定出9446个高可信蛋白。其中，在NB、BHA和BPD样品中分别检测到6263、6707和7566个蛋白。其中，1542、2244和1343个Ochrophyta蛋白分别占群落总蛋白丰度的11.9%、63.01%和1.75%;其中，底生植物蛋白3436、3278和5073分别占总丰度的15.74%、20.85%和92.11%;317，301和252种硅藻蛋白分别占总丰度的7.44%、1.48%和0.96%;其中，隐密码体蛋白196、145和169分别占总丰度的33.26%、2.4%和1.35%。其他浮游植物类群，如叶绿素、纤毛虫和半抗原等，在三个样本中所占比例相对较小，且较为稳定(图3A和图3B)。18S rDNA基因序列的分类组成也支持亚蛋白组学结果(图3C)。在NB、BHA和BPD样品中，Ochrophyta分别占群落OTUs丰度的1.53%、63.26%和0.74%;二植体占总丰度的64.48%、33.24%、89.79%;硅藻门占总丰度的3.40%、0.18%、0.86%；隐孢子虫占总丰度的4.22%、0.23%和0.14%，其次是绿藻、纤毛虫和半抗原，仅占1.73%、0.90%和1.82%。三个样品共检出赤潮异弯藻蛋白2152个，东海原甲藻蛋白3629个。其中，NB、BHA、BPD146份样品分别含有1461、2150和1274 赤潮异弯藻蛋白和2350、2171和3619东海原甲藻蛋白(图3A)。在蛋白质丰度方面，赤潮异弯藻在NB、BHA和BPD样品中分别占7.82%、60.13%和1.35%，而东海原甲藻占4.74%、2.19%和78.09%(图3B)。与细胞生长和能量代谢相关的蛋白在两种水华植物中均有高表达(图4A)。
图3 NB、BHA和BPD样品的蛋白质信息和分类组成。（a）每个浮游植物群的蛋白质数量。（b）基于蛋白质丰度的每个浮游植物群的百分比。（c）基于18s rDNA基因丰度的浮游植物
为了尽量减少不同水华期之间的生物量和/或活性干扰，对NB样品中的两种物种进行比较，并对BHA样品中的赤潮异弯藻和BPD样品中的东海原甲藻进行比较（图4b）。结果表明，与核甘酸切除修复、碳代谢、碳固定、类胡萝卜素生物合成、维生素B6代谢、谷胱甘肽代谢、光合作用、氧化磷酸化和光合作用相关的蛋白质所占比例高于赤潮异弯藻。在两个水华样品之间，涉及碳代谢、碳固定、光合作用天线蛋白、光合作用、氮代谢、氧化磷酸化、N-聚糖生物合成、类胡萝卜素和脂肪酸、糖酵解/糖异生、硫胺素和甘油脂质元的蛋白质。与BPD样品中的东海原甲藻相比，BHA样品中的赤潮异弯藻的代谢比例更大。相应地，BPD样品中涉及ABC转运体、蛋白质出口、剪接体、溶酶体、吞噬体、半乳糖代谢、双组分系统、内吞作用、丙酮酸代谢、淀粉和蔗糖代谢的蛋白质所占比例大于BHA样品中的赤潮异弯藻。
图4 NB、BHA和BPD样品中KEGG类蛋白质比例的热图。
浮游植物水华一直是人们关注的焦点，而影响水华形成的生物和非生物因子也被广泛研究。然而，对不同共存浮游植物在水华期的代谢特征仍知之甚少。本研究定量比较了赤潮异弯藻和东海原甲藻两种浮游植物在水华期的蛋白质表达水平。我们的数据揭示了可能促进水华形成的代谢特征的显著差异，特别是在与采光和养分利用有关的代谢过程中（图7）。
图7赤潮异弯藻和东海原甲藻在水华期发生的主要分子。（a）NB样
海洋浮游植物依靠光将二氧化碳固定在有机碳中，光的有效性严重影响了浮游植物的光合效率。因此，采光能力是浮游植物在海洋中生长和增殖的重要决定因素。光捕获复合物（LHC）蛋白质结合天线叶绿素和类胡萝卜素色素，增强浮游植物的光捕获能力。在高混浊河口地区，大量的HBC基因拷贝被认为是一种遗传优势，有助于其在共存物种中的优势。在水华期，尤其是在NB样品中（图5A），检测到赤潮异弯藻的采光复合物i叶绿素a/b结合蛋白1（IHCAL）、ILCA4、采光复合物Ⅱ叶绿素a/b结合蛋白3（IHCB3）和ILCB5的丰度高于东海原甲藻的丰度。这一发现表明赤潮异弯藻具有更强的采光能力。沿海生态系统具有高浑浊度的特点，随着水深的增加，光合有效辐射强度迅速减弱。赤潮异弯藻中LHC蛋白的高表达水平可能是对沿海生态系统高浑浊度的适应性反应，使其能够与其他共存的浮游植物物种竞争，从而促进其在高浑浊度条件下的繁殖。相应地，在100-600μmol光子m-2s-1的宽光强范围内，赤潮异弯藻表现出最佳的生长速率。此外，据报道，赤潮异弯藻细胞叶绿体数目可根据不同光强进行调节。浮游植物水华期间的高细胞生物量显著减弱了水体中的光强度。最小水华使光漫射衰减系数增加了6倍以上，并将浮游植物的平均生长深度限制在1米到0.5米之间。在我们的研究中，赤潮异弯藻红细胞和东海原甲藻红细胞都高度表达LHC蛋白，以获得最大的光照，以应对光利用率下降（图5）。在赤潮异弯藻和东海原甲藻水华细胞中，LHC基因相对于非水华细胞也有较高的表达。甲藻原位早水华细胞中LHC蛋白的丰度高于晚水华细胞，这主要是由于严重营养缺乏条件下晚水华细胞分裂率较低所致。LHC的降解是适应营养缺乏的一种重要标志，它为其他维持生长的代谢过程提供了重要的营养源。总之，赤潮异弯藻和东海原甲藻具有调节LHC蛋白表达以适应水华期不同环境条件的能力。溶解无机碳浓度是影响海洋浮游植物生长的一个重要而又被低估的因素。据报道，DIC的可用性会影响浮游植物物种的形成和分布。海水中的DIC包括相对恒定的HCO3-和CO32-浓度和可变的CO2浓度之和。表层海水中的二氧化碳由于其对浮游植物核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCo）亲和力的亚饱和浓度而缺少。几乎所有的海洋浮游植物物种都进化出了碳浓缩机制（CCMS），以在RuBisCo酶的催化部位富集二氧化碳。碳酸氢酶（CA）是CCMS中的关键酶，促进了HCO3-和CO2的胞外转化。由于以往的研究未能在不同的血管内凝血限制条件下检测到钙的活性，故对赤潮异弯藻中CCMS的存在提出了质疑。在本研究中，与NB和BPD样本相比，在BHA样本中检测到的赤潮异弯藻细胞间CA、CAα、CAβ和CAγ的比例更高（图5B），表明赤潮异弯藻具有能够适应周围DIC变化的CCMS。在一项转录组研究中也报告了多种类型的CA。此外，东海原甲藻的CA和CA delta在BHA和BPD样本中的表达高于NB样本（图5b）。先前的一项转录组学研究表明，在低二氧化碳条件下，检测到东海原甲藻的丰度和酶活性较高，以维持正常的光合速率。这些结果表明，在赤潮异弯藻和东海原甲藻水华期，对适应低二氧化碳环境具有重要作用。值得注意的是，在NB和BHA样本中检测到了溶质载体家族4的细胞膜蛋白，即赤潮异弯藻中的（SLC4A10），负责跨膜碳酸氢盐转运。在低二氧化碳条件下，SLC4对CCMS的重要作用已在硅藻中得到证实。因此，赤潮异弯藻红细胞在水华期表现出高效的HCO3-转运系统和高丰度的CA，以获得足够的CO2供碳固定。RuBisCO的缓慢羧化反应是碳固定和细胞生长的关键限速步骤。除了细胞CO2浓度的升高外，RuBisCO丰度的增加是提高浮游植物CO2固定效率的另一种重要的适应性策略。在水华盛期，赤潮异弯藻中RuBisCO的比例高于东海原甲藻(图5C)。在六种不同的浮游植物分类群中，东海原甲藻对RuBisCO的底物特异性因子最低。RuBisCO的动力学较差以及由此导致的光合效率较低，被认为是东海原甲藻生长缓慢的原因。结合酶动力学研究，赤潮异弯藻中RuBisCO的丰度较高，说明其在水华期的固碳效率高于东海原甲藻。赤潮异弯藻细胞还具有大量的叶绿体存在的特征，这些叶绿体发生固碳作用，这与我们的发现一致，赤潮异弯藻细胞具有较高的CA和RuBis赤潮异弯藻的无机碳转运和固碳能力强于东海原甲藻，这可能是赤潮异弯藻水华早于东海原甲藻的遗传优势。CO丰度。综上所述，
图5 NB、BHA和BPD样品中赤潮异弯藻和东海原甲藻的蛋白质丰度比较。（a）采光蛋白质。（b）无机碳同化蛋白。（c）碳固定蛋白。Ca:碳酸酐；LHCA1:采光复合物I叶绿素a/b结合蛋白1；LHCA4:采光复合物I叶绿素a/b结合蛋白4；LHCB3:采光复合物II叶绿素a/b结合蛋白3；LHCB5:采光复合物II叶绿素a/b结合蛋白5；RBCⅡ:RIBULOSE 1,5-二磷酸羧化酶加氧酶，Ⅱ；RBC Ⅰ: RIBULOSE 1,5-二磷酸羧化酶加氧酶，大亚单位；RBCS: RIBULOSE 1,5-二磷酸羧化酶加氧酶，小亚单位。SLC4A10：溶质载体家族4（碳酸氢钠协同转运）10。
3. 磷的吸收和代谢。
营养有效性决定了浮游植物在海洋环境中的细胞生长速率，并在一定程度上影响着浮游植物生态位的划分。磷(P)是海洋浮游植物生长和生产力的有限养分。
浮游植物细胞能够平衡磷的吸收、代谢和储存，以维持无机磷(Pi)和溶解有机磷(DOP)的生物利用度。如文献所述，赤潮异弯藻对P的耐受能力低于P的最小值，低浓度的环境Pi最终导致赤潮异弯藻水华结束。本研究中溶解无机氮磷比在21.72 ~ 822.89之间(高于红场比16:1)，说明Pi的限制发生在水华期间。因此，可以推断出低浓度的Pi有可能是赤潮异弯藻水华结束的关键因素。
溶质载体家族37(甘油-3-磷酸转运体)， SLC37A3来自赤潮异弯藻，在BHA和BPD样品中检测到，而在三个样品中只检测到低亲和力的无机磷酸盐转运体(PHO84)来自东海原甲藻(图6A)。SLC37A3，也被称为糖磷酸盐交换剂，是一种糖磷酸盐反载体，将磷酸盐转运到细胞内。此外，在HBA样品中，仅从赤潮异弯藻中检测到参与多聚磷酸盐代谢的液泡转运蛋白伴侣4 (VTC4)(图6A)。聚磷酸盐既是一个主要的细胞磷酸池，也是一个能量储存池，可以作为ATP的来源。一些浮游植物在Pi充足的条件下可以获得磷合成聚磷酸盐，在Pi缺乏的条件下，通过上调VTC4来降解聚磷酸盐释放磷。这些结果表明，赤潮异弯藻为适应低磷环境，启动了外输磷和内储磷系统，从而支持了其早于东海原甲藻的水华。在低磷条件下，DOP是浮游植物重要的P源，但大多数DOP在使用前必须通过细胞表面碱性磷酸酶（APS）转化为Pi。在NB和BHA样品（图6a）中，从赤潮异弯藻中检测到AP家族的碱性磷酸酶d（PHOD），表明细胞在低Pi环境下利用了细胞外DOP。然而，尽管在数据库中存在AP序列，但我们没有从东海原甲藻中识别出AP，这表明AP可能存在于低丰度或没有表达。有趣的是，在NB和BPD样本中检测到来自东海原甲藻的5’-核苷酸酶（图6a）。最近，5’-核苷酸酶被研究在细胞外三磷酸腺苷水解中起作用，以维持二甲藻（dinoflaste karenia mikimotoi）的生长。同理，在水华期，原位东海原甲藻可能依赖5’-核苷酸酶而不是AP来利用细胞外ATP作为P源。细胞内DOPS的利用是另一个重要的适应策略来管理低Pi压力。赤潮异弯藻检测到BHA样品中的蛋白磷酸酶、NB和BHA样品中的磷脂酶、三个样品中的磷脂酰肌醇磷脂酶C和3’（2’），5’-二磷酸核苷酸酶，而东海原甲藻检测到BPD样品中的酸性磷酸酶、蛋白磷酸酶和PHO。在三个样品中鉴定出了Sphatase2c（图6a）。蛋白磷酸酶、酸性磷酸酶和3’（2’），5’-二磷酸核苷酸酶水解磷酸酯类，磷脂酶和磷脂酰肌醇磷脂酶C水解结构磷脂释放磷酸盐。这些酶及其同系物参与DOP再利用被发现在P缺乏的条件下高度表达。多种多样的DOP利用方式使东海原甲藻和赤潮异弯藻在水华期适应低Pi浓度。氮是浮游植物生长所必需的营养物质。在本研究中，氮的浓度在赤潮爆发过程中急剧下降。三份样品中均检测到赤潮异弯藻的氨转运蛋白和亚硝酸盐转运蛋白Nar1，未检测到东海原甲藻无机氮转运蛋白(图6B)。与东海原甲藻相比，赤潮异弯藻特异性转运体丰度较高，说明赤潮异弯藻对铵、亚硝酸盐的竞争能力较强。前期研究也表明，赤潮异弯藻的水华是在Pi和溶解态无机氮浓度增加后发生的，而磷酸盐和硝酸盐加速了赤潮异弯藻的水华时间。有趣的是，这三个样本（图6b，表s2）中鉴定出了极性氨基酸转运系统ATP结合蛋白（ABC.PA.A）和底物结合蛋白（ABC.PA.S）。虽然本文没有测量氨基酸的浓度，但在同一个调查区域内，溶解的氨基酸显著减少，并伴随着从南方硅藻到东海硅藻的更替。越来越多的证据表明，这些藻类更喜欢溶解有机营养素，而不是无机营养素。综上所述，赤潮异弯藻水华消散后，东海原甲藻了氨基酸摄取系统，在无机氮含量低、有机氮含量高的环境中维持细胞生长。此外，氨基酸能促进其他共存浮游植物物种存在的情况下其水华的形成。在海洋浮游植物中，硝酸还原酶(NR)和亚硝酸盐还原酶(NiR)催化NO3-还原为NH4+。谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)催化细胞还原和细胞外导入NH4+，通过GS-GOGAT途径被同化为谷氨酸。鸟氨酸-尿素循环(OUC)将NH4+转化为氨基酸，连接氨基酸代谢、TCA循环和GS-GOGAT通路。这些细胞内的氮代谢酶和一些OUC酶在三个样本中都被检测到。同时,更高比例的GS GOGAT 4 OUC酶(argininosuccinate合成酶、argininosuccinate裂合酶carbamoyl-phosphate合成酶和鸟氨酸carbamoyltransferase)和低比例的NR (图6 b)。随着GS-GOGAT和OUC通路催化NH4+与有机分子的结合，相关蛋白的高表达进一步证实了环境铵对赤潮异弯藻水华的重要作用。如文献所述，赤潮异弯藻更喜欢在氮充足和次充分条件下获得铵。由此可见，赤潮异弯藻对铵、亚硝酸盐、硝酸盐等多种环境无机氮源具有较强的利用能力，而东海原甲藻则以硝酸盐/亚硝酸盐和氨基酸为氮源。不同营养位的氮素资源在一定程度上促进了沿海生态系统赤潮异弯藻和东海原甲藻水华的发生。
图6 NB、BHA和BPD样品中赤潮异弯藻水华和东海原甲藻水华的蛋白质丰度比较。
5. 有机物水解。
溶酶体是含有水解酶的球形囊泡，用于分解细胞外环境和细胞废弃成分中的各种生物分子。溶酶体的功能在动物中得到了充分的研究，在一些植物和浮游植物中发现了溶酶体样液泡。在三个样品中，东海原甲藻溶酶体类蛋白的比例高于赤潮异弯藻溶酶体类蛋白的比例(图2B和图6C，表S3)。在这两种植物中都检测到参与多肽水解的组织蛋白酶和三肽基酶的几个亚基。在样品中检测到东海原甲藻葡萄糖醛酸酶对复杂碳水化合物水解的催化作用。此外，在样品中还检测到东海原甲藻细胞外硫酸酯酶、芳基硫酸酯酶亚基B、和N -乙酰氨基葡萄糖-6-硫酸酯酶。所有这些蛋白都催化络合硫酸酯水解分解，释放硫酸盐。据报道，赤潮异弯藻花期溶解的有机碳和氮大量积累，水华后达到高峰。东海原甲藻等混合营养性物种对溶解有机质的利用有利于其HAB的地理分布。赤潮异弯藻在耗散期向海水中释放大量的溶解有机质，为东海原甲藻细胞的生长和增殖提供了碳、氮、磷等营养来源。
图2研究期间的化学条件。（a）赤潮异弯藻的水华过程发生在Za3站。（b）Zb7站发生了东海原甲藻水华过程。
6. 蛋白质鉴定数据库
在蛋白组学研究中，一个适当的蛋白质搜索数据库对于实现准确的功能和分类特征至关重要。构建蛋白质检索数据库的方法主要有两种:结合公共序列数据或同时进行基因组分析。越来越多的证据表明，相对于基因组，来自公共数据库的蛋白质序列会导致对蛋白质鉴定的统计偏差，从而导致不同的生物学结论。因此，测序同时进行基因组和蛋白组学研究。在本研究中，从两个公共数据库构建了一个由浮游植物序列组成的数据库，分别是引起水华的物种转录组和原位转录组，以弥补基因组的缺失。虽然数据库中属于Ochrophyta (赤潮异弯藻属于Ochrophyta)的蛋白序列仅占5.7%，但在NB、BHA和BPD样品中Ochrophyta蛋白分别占总蛋白的24.6%、33.5%和17.8%。此外，从蛋白质和18S rDNA基因数据推断出的分类成分在三个样品中也具有高度的相似性。这些结果表明，该组合数据库在很大程度上包含了研究区潜在的浮游植物种类，适合揭示各浮游植物在水华期间的代谢活动，特别是两种引起水华的浮游植物。本文通过蛋白组学研究揭示了赤潮异弯藻和东海原甲藻两种共存的浮游植物在水华期的不同分子机制。赤潮异弯藻具有较强的采光能力，以及对无机碳、氮、磷的获取和代谢能力，在高浑浊度和无机营养物浓度的条件下有利于其早日水华。在水华期，赤潮异弯藻红细胞高度表达低亲和力的磷酸盐转运蛋白，并激活细胞内外有机磷利用，以适应低磷胁迫。然而，低磷浓度的环境最终导致了赤潮异弯藻的生存危机。而东海原甲藻细胞在水华期表现出较强的获取和水解胞外和胞内有机物的能力。因此，在不同的环境条件下，两种共存的浮游植物的采光能力和营养生态位差异可能会导致水华的发生。本研究揭示了不同浮游植物水华的分子机制。这有助于今后不同浮游植物种类水华的蛋白质组学研究，其结果将有助于我们更全面地了解海洋浮游植物水华的形成机理。
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