近日，廈門大學海洋與地球學院、近海海洋環境科學國家重點實驗室林森杰教授領銜的海洋分子生態與基因組學研究團隊（MEG）在Nature Communications發表題為“Trypsin is a coordinate regulator of N and P nutrients in marine phytoplankton”的研究論文，揭示了由海洋浮游植物胰蛋白酶介導的氮磷協同利用的新機制，為海洋浮游植物響應和適應日趨失衡的環境營養鹽變化的調控機理研究提供了新見解。

胰蛋白酶（trypsin）是一種普遍存在于動物消化系統中的蛋白水解酶，參與了酶原激活、食物消化和免疫防衛等多個重要生理過程。胰蛋白酶研究已有很長的歷史，但主要集中在動物領域。研究團隊通過對2014年發生于中國東海的赤潮進行研究，在國際上首次發現硅藻擁有胰蛋白酶基因，且在甲藻赤潮爆發前、水體中磷營養鹽急劇下降時有很高的表達量（占硅藻總轉錄本的1%），這表明胰蛋白酶在硅藻對營養條件變化響應中扮演著重要角色。

研究團隊進一步利用Tara Ocean的相關數據和藻類基因組數據庫發現，胰蛋白酶在全球海洋浮游植物的主要類群中普遍存在，同時其表達水平與環境營養鹽變化密切相關，且硅藻和綠藻胰蛋白酶對氮（N）和磷（P）營養鹽變化的響應尤為顯著（圖1）。

圖1胰蛋白酶在全球海洋浮游植物中的廣泛分布及對環境營養鹽的響應

為進一步揭示海洋浮游植物胰蛋白酶的功能，研究團隊以三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）為模式生物，通過綜合運用CRISPR/Cas9基因編輯、轉基因、過表達及亞細胞定位、RNA-seq、生理參數測定等分子生物學和細胞生物學理論和方法，探究了胰蛋白酶PtTryp2 在三角褐指藻中的亞細胞定位和PtTryp2基因被敲除或過表達后藻細胞在不同營養鹽條件下的生理響應、基因表達譜及重要代謝途徑變化。研究結果表明，PtTryp2通過兩個層級實現其對N、P營養吸收的雙向耦聯調控。首先，PtTryp2抑制N吸收的同時促進P吸收。其次，細胞通過調整PtTryp2的表達水平來實現對N、P營養變化的協同響應：當環境N營養匱乏時，細胞內PtTryp2表達下調，造成N營養吸收加強，P吸收減弱，從而使得細胞內N:P比例相對穩定；當環境P營養匱乏時，細胞內PtTryp2表達上調，P吸收加強，N吸收減弱，相對穩定的細胞內N:P比例得以維持。這表明，PtTryp2可通過調節自身的基因表達水平來應對營養鹽變化，即通過新陳代謝調節，減小N-P平衡這個“蹺蹺板”的振幅，以達到促進不同營養鹽的協同利用并維持胞內營養鹽化學計量比穩態（圖2）。該成果為深入研究浮游植物對營養環境變動的響應與適應機制指明了新方向，為構建可預測未來增溫引起的大洋寡營養化與人類排放引起的近海富營養化如何影響浮游植物群落結構與功能的生態模型提供了理論基礎。

圖2 胰蛋白酶介導調控細胞氮磷平衡示意圖

研究團隊

海洋分子生態與基因組學研究團隊（MEG）以分子生物技術和現代組學分析方法為手段，致力于浮游植物營養生態、有害藻華形成機制、共生生物學等研究。論文第一作者為近海海洋環境科學國家重點實驗室副研究員尤燕春博士，通訊作者為林森杰教授，共同作者包括廈門大學高級工程師李凌，博士生馬明蕾、何佳敏，碩士生孫雪瓊和美國康涅狄格大學博士生Felipe Wendt Porto。該研究獲得國家自然科學基金青年項目（41906123）、中國科學院海洋生態與環境科學重點實驗室開放基金（KLMEES202006）、山東省重大科技創新工程專項（2018SDKJ0406-3）、近海海洋環境科學國家重點實驗室自主課題（MELRI2105）和美國Gordon and Betty Moore Foundation項目（4980.01）的聯合資助。

論文來源：

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.

論文鏈接：

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

供稿：尤燕春