有毒金属具有高毒性和不可降解性，是水环境中严重的污染物之一。藻类是生态系统中的初级生产者，具有生长速度快、对有毒金属的吸附能力强等优势。关于藻类对有毒金属的吸收、转化、储存及适应机制的研究，不仅能揭示其对生态系统食物链及人类健康的影响，而且能为利用藻类开展有毒金属水体生物修复提供理论和技术支持。中国科学院水生生物研究所藻类细胞生物学学科组以莱茵衣藻为模式生物，在有毒金属的富集机制和生物修复方面开展了一系列的研究工作。

首先，证明了溶酶体相关细胞器（LROs，Lysosome-related organelles）是真核生物中多种金属离子在细胞内的储存位点，具有调节金属稳态的作用。溶酶体相关细胞器内部呈酸性环境，含有一个或多个多聚磷颗粒，用于储存细胞吸收但并未利用的钙、铁、铜、锰、锌等金属元素（图1）。在建立溶酶体相关细胞器纯化方法的基础上，通过离子组、蛋白组、形态分析和酶活检验等方法，解析了溶酶体相关细胞器在应对环境变化时的形态及蛋白质组成上的变化。结果显示处于生长平台期的藻类细胞和铁超载的藻类细胞的溶酶体相关细胞器均具有溶酶体功能和储存金属离子的功能，但是铁超载细胞中溶酶体相关细胞器的形态和金属含量均发生显著变化，呈现酸钙体的特征。这些研究表明溶酶体相关细胞器是一种动态变化的细胞器，其结构和功能受到环境变化的调控（图2），为进一步研究溶酶体相关细胞器的生物发生及其调控金属离子代谢的机制打下基础。该研究于2023年3月发表在植物学经典杂志Plant Physiology上（文章链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiad189）。下一步工作可通过增加溶酶体相关细胞器的数量或储存金属离子的能力进而提高藻类细胞对有毒金属的富集和转化能力。

图1 衣藻溶酶体相关细胞器及其中的元素分布。A. 生长平台期衣藻细胞内的溶酶体相关细胞器。LysoTracker红色荧光标记溶酶体相关细胞器，DAP I白色荧光标记多聚磷颗粒，绿色荧光为叶绿体自发荧光。B. 能谱电镜观察纯化的溶酶体相关细胞器内的元素分布。

图2 生长平台期的莱茵衣藻细胞和铁超载细胞中溶酶体相关细胞器的形态示意图。A、生长平台期细胞中多数溶酶体相关细胞器含数个无膜的多聚磷颗粒，类似于植物细胞中的裂解液泡；B、铁超载细胞中的多数溶酶体相关细胞器含1-2个较大的多聚磷颗粒，类似于其他物种中的酸钙体。链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.130990）。

其次，揭示了真核藻类对重金属镉的短期响应和长期适应机制。镉是水环境中污染严重的有毒金属之一，已有的研究通过转录组和蛋白组技术比较了镉胁迫下基因和蛋白表达的变化，但由于部分转录的基因不翻译成蛋白、低丰度蛋白难以检测等原因，常导致二者的数据难以匹配。利用翻译组对核糖体中正在翻译的mRNA进行测序，可显著增加RNA和蛋白质之间的相关性。翻译组以及细胞和生理学的结果表明，细胞壁是抵御镉胁迫的首道屏障，多种糖蛋白在镉胁迫下差异表达。淀粉粒、纳米颗粒以及胶状群体细胞的形成等细胞结构的变化是藻类对镉毒性长期适应的策略。多种上调表达ABC转运蛋白的可能参与镉的转运。GDP-L-半乳糖磷酸化酶VTC2通过谷胱甘肽—抗坏血酸系统维护镉引起的氧化还原平衡失调。此外，异黄酮还原酶IRT1参与镉解毒过程（图3）。该研究系统解析了藻类响应镉毒性的分子机制，为提高藻类对镉的富集和解毒能力提供新的思路。该研究在2023年2月发表于Journal of Hazardous Materials杂志（文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.130990）

图3 莱茵衣藻响应镉毒性的示意图

再次，通过过表达重金属的细胞膜转运蛋白开展重金属水体生物修复。该学科组前期研究表明硒能解除重金属铬的毒性，且重铬酸盐主要通过硫酸盐转运蛋白SULTR2进入胞内（Zhang et.al., 2021）。在详细研究SULTR2在细胞中的定位的基础上，在莱茵衣藻中过表达SULTR2，将衣藻对铬的富集能力增加1倍，由6 μg/mg protein增加到12 μg/mg protein。然后，利用海藻酸钠和硅藻土固定该藻株（图4），固定后微藻小球对含铬废水中铬的去除能力增加1倍，对废水中氮、磷等营养物质的去除效率也显著增高，其中总P含量下降了41% 。该项研究表明获得的铬富集能力增强的工程藻株可以用于重金属污染水体的生物修复。该研究在2023年2月发表于Biotechnology and Bioengineering杂志上（文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.28350）。

图4 过表达SULTR2增强莱茵衣藻对铬的富集能力

水生所龙欢副研究员、张宝龙博士、联合培养硕士生唐雨欣分别为上述3篇文章的第一作者，黄开耀研究员为通讯作者。相关研究得到国家重点研发计划项目（2020YFA0907400）、中国博士后面上项目（2022M723336）、中国科学院水生生物研究所藻类生物学重点实验室开放课题（202201）等项目的资助。

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1、Long, H, J. Fang, L. Ye, B. Zhang, C. Hui, X. Deng, S.S. Merchant, and K. Huang. 2023. Structural and functional regulation of Chlamydomonas lysosome related organelles during environmental changes. Plant Physiology, https://doi.org/10.1093/plphys/kiad189.