近期，我所海气室张元标团队的郭辉革助理研究员，再次于国际权威期刊发表最新研究成果，以“Ignited Competition: Impact of Bioactive Extracellular Compounds on Organelle Functions and Photosynthetic Systems in Harmful Algal Blooms ”为题，发表在《Plant, Cell & Environment》（中科院一区TOP，植物学领域顶刊， IF = 6.0）上。我所郭辉革助理研究员为论文第一作者，我所2023届硕士研究生、现中国海洋大学博士生王晓晨为共同第一作者，我所张元标正高级工程师、罗肇河研究员和来自德国的Bernd Krock教授（Helmholtz Center for Polar and Marine Research）为共同通讯作者。浙江海洋大学李长林副教授、暨南大学李达伟副研究员及来自埃及的Hala F. Mohamed教授等人对本研究做出了重要贡献。本论文第一通讯单位为自然资源部第三海洋研究所，本研究得到了国家重点研发专项资金、海洋三所基本科研业务费的资助。

海洋浮游植物以仅占光合生物约百分之一的生物量，贡献了近一半的全球初级生产力。气候变化引起的大尺度环境改变，给浮游植物种群的稳定带来重大影响，是海洋浮游植物演替的关键因素。近年来有害藻华的高频次发生，特别是有毒甲藻暴发性增殖带来的生态灾害，是海洋浮游植物受大尺度环境因素作用影响的集中体现，严重破坏生态环境和威胁人类健康。然而，环境变化压力下，浮游植物演替过程中的物种竞争机制，特别是有害物种间近距离、小尺度的相互作用机制的研究少有报道。深入分析海洋生态系统中藻际间小尺度相互作用的生理响应机制，对海洋赤潮发生和消亡过程机制的了解具有重要意义。

图1 研究路线示意图

 该论文以两种常见的，且能产生相似麻痹性贝毒的近缘有害赤潮藻——微小亚历山大藻(Alexandrium minutum)和链状裸藻(Gymnodinium catenatum)为研究对象进行共培养，从亚细胞结构、生物大分子物质和基因分子水平上，探究在优势藻种胞外生物活性物的压力下，赤潮物种间隐秘而激烈的相互作用机制。自然界中，此种易被低估又激烈的斗争往往发生在水面下、难以察觉的微小细胞之间，却足以同高营养级生物间激烈的竞争相媲美。

图2  (a) 藻细胞切片透射电镜细胞亚结构分析 (b) 实验组和对照组细胞器损伤示意图

微小亚历山大藻非贝毒类胞外产物在短期内作用于链状裸甲藻，即可严重影响藻细胞的正常生理代谢和生长增殖，从扫描电镜和透射电镜结果观察到细胞形态结构和胞内细胞器均受到不同程度损伤，细胞膜变薄、液泡变多，同时叶绿体上的类囊体膜弥散、模糊，具有重要存储能量物质的蛋白核缩小，甚至消失，细胞核无序扩大，以求更好的调控整体细胞的代谢功能……

图3 细胞内生物大分子物质红外光谱差异分析

藻细胞原位红外光谱的生物大分子物质识别分析，发现脂肪酸、蛋白质、多糖类的生物大分子物质在胞内微环境的表达量和分布存在显著差异。其中，胞内脂质明显增多，同时向细胞外膜聚集，蛋白质含量急剧减少，随着作用时间增加，叶绿体功能进一步被破坏，代谢消耗增加，胞内糖类物质近乎减半。对高、中、低三种浓度的实验组和对照组光谱数据进行聚类分析，均能依据谱峰差异得到准确的细胞类型归类。

图4  功能基因及转录组差异表达

细胞RNA转录组差异表达分析和功能基因注释发现，微小亚历山大藻的非贝毒类胞外产物可以通过攻击叶绿体类囊膜上的光捕获系统photosystem I的功能，破坏两种光捕获天线蛋白：Lhca1 和Lhca4，阻滞光子的捕获，从而削弱光合作用过程中的光反应；另外蛋白核的主要成分二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）量严重不足，大大降低光合作用中二氧化碳的固定效率。总之，基因水平的调控变化进一步验证了论文中电镜和红外光谱观察到的结果。本论文创新地从细胞微环境的生境变化入手，揭示了有毒赤潮藻种间隐秘而激烈的交互作用的内在竞争机制。

论文链接：https://doi.org/10.1111/pce.15057