近日，5123导航海洋与地球学院、近海海洋环境科学国家重点实验室林森杰教授领衔的海洋分子生态与基因组学研究团队（MEG）在Nature Communications发表题为“Trypsin is a coordinate regulator of N and P nutrients in marine phytoplankton”的研究论文，揭示了由海洋浮游植物胰蛋白酶介导的氮磷协同利用的新机制，为海洋浮游植物响应和适应日趋失衡的环境营养盐变化的调控机理研究提供了新见解。

胰蛋白酶（trypsin）是一种普遍存在于动物消化系统中的蛋白水解酶，参与酶原激活、食物消化和免疫防卫等多个重要生理过程。胰蛋白酶研究已有很长的历史，但主要集中在动物领域。研究团队通过对2014年发生于中国东海的赤潮进行研究，于国际上首次发现硅藻拥有胰蛋白酶基因，且在甲藻赤潮爆发前、水体中磷营养盐急剧下降时有很高的表达量（占硅藻总转录本的1%），这表明胰蛋白酶在硅藻对营养条件变化响应中扮演着重要角色。

研究团队进一步利用Tara Ocean的相关数据和藻类基因组数据库发现，胰蛋白酶在全球海洋浮游植物的主要类群中普遍存在，同时其表达水平与环境营养盐变化密切相关，且硅藻和绿藻胰蛋白酶对氮（N）和磷（P）营养盐变化的响应尤为显著（图1）。

图1胰蛋白酶在全球海洋浮游植物中的广泛分布及对环境营养盐的响应

为进一步揭示海洋浮游植物胰蛋白酶的功能，研究团队以三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）为模式生物，通过综合运用CRISPR/Cas9基因编辑、转基因、过表达及亚细胞定位、RNA-seq、生理参数测定等分子生物学和细胞生物学理论和方法，探究了胰蛋白酶PtTryp2 在三角褐指藻中的亚细胞定位和PtTryp2基因被敲除或过表达后藻细胞在不同营养盐条件下的生理响应、基因表达谱及重要代谢途径变化。研究结果表明，PtTryp2通过两个层级实现其对N、P营养吸收的双向耦联调控。首先，PtTryp2抑制N吸收的同时促进P吸收。其次，细胞通过调整PtTryp2的表达水平来实现对N、P营养变化的协同响应：当环境N营养匮乏时，细胞内PtTryp2表达下调，造成N营养吸收加强，P吸收减弱，从而使得细胞内N:P比例相对稳定；当环境P营养匮乏时，细胞内PtTryp2表达上调，P吸收加强，N吸收减弱，相对稳定的细胞内N:P比例得以维持。这表明，PtTryp2可通过调节自身的基因表达水平来应对营养盐变化，即通过新陈代谢调节，减小N-P平衡这个“跷跷板”的振幅，以达到促进不同营养盐的协同利用并维持胞内营养盐化学计量比稳态（图2）。[Z.L.1] 该成果为深入研究浮游植物对营养环境变动的响应与适应机制指明了新方向，为构建可预测未来增温引起的大洋寡营养化与人类排放引起的近海富营养化如何影响浮游植物群落结构与功能的生态模型提供了理论基础。

图2 胰蛋白酶介导调控细胞氮磷平衡示意图

研究团队

海洋分子生态与基因组学研究团队（MEG）以分子生物技术和现代组学分析方法为手段，致力于浮游植物营养生态、有害藻华形成机制、共生生物学等的研究。论文第一作者为近海海洋环境科学国家重点实验室副研究员尤燕春博士，通讯作者为林森杰教授，共同作者包括5123导航高级工程师李凌，博士生孙雪琼、马明蕾、何佳敏和美国康涅狄格大学博士生Felipe Wendt Porto。该研究获得国家自然科学基金青年项目（41906123）、中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室开放基金（KLMEES202006）、山东省重大科技创新工程专项（2018SDKJ0406-3）、近海海洋环境科学国家重点实验室自主课题（MELRI2105）和美国Gordon and Betty Moore Foundation项目（4980.01）的联合资助。

论文来源：

Yanchun You, Xueqiong Sun, Minglei Ma, Jiamin He, Ling Li, Felipe Wendt Porto, Senjie Lin*(2022). Trypsin is a coordinate regulator of N and P nutrients in marine phytoplankton. Nature Communications 13, 4022.

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31802-6

供稿：尤燕春