铜绿微囊藻细胞程序性死亡机制及其在水华消亡中的作用研究

Microcystis aeruginosa is one of the most common bloom-forming cyanobacteria in freshwater ecosystems,which can form harmful algal blooms that are of economic and ecological importance. Although an abundance of the published literature has explained the decline of all phytonplankton blooms by a variety of reasons-nutrient depletion, zooplankton grazing and virus infections, the degenerative process and molecular mechanism in algal bloom is still not thoroughly understood. Programmed cell death as a means to bloom temination is a new concept, and not one well understood. In previous research，we identified a quorum-sensing signal"extracellular death factor"( EDF )in high density culture of Microcystis aeruginosa and proved that EDF could trigger programmed cell death mediated by tonxin-antitoxin system MazEF,which leaded great quantities of cultured Microcystis aeruginosa to die out overnight. The large-scale death of Microcystis aeruginosa is similar to the sudden decline of algal bloom within a short time in the nature. Our research is pointing to the possibility of programmed cell death as a factor in bloom decline. To illuminate the role of programmed cell death triggered by EDF in terminating harmful algal blooms of Microcystis aeruginosa and distinguish factors regulating bloom decline,this project will focus on the process and mechanism of programmed cell death in Microcystis aeruginosa during times of various environmental stresses . To elucide the process and mechanism of programmed cell death, we will study the transduction pathways of death signal EDF and explore its function in enhancing activity of tonxin-antitoxin system MazEF under various environmental stress condtions.To investigate the role of programmed cell death in the decline process of Microcystis bloom , we will monitor the product of death signal EDF and the initiation of programmed cell death at the decline stage in algal bloom of Microcystis aeruginosa. The study will enhance researchers' understanding of the mechanisms of harmful algal bloom termination and the potential for human intervention.

铜绿微囊藻是形成有害水华的主要藻种，由于其水华所造成的危害性而引起了人们的高度重视。目前对水华消亡过程中的分子生物学机制了解不多。我们前期研究发现，在其高密度培养液中有一种死亡信号肽EDF能启动藻细胞进行有毒素-抗毒素系统参与的程序性死亡,从而使培养的藻细胞一夜间全部死亡，这与自然界水华迅速消亡的现象非常相似。因此,为了探究自然界中水华消亡机制，本项目拟从环境信息传递、死亡信号的感应和转导入手，对铜绿微囊藻细胞如何感应EDF信号并启动毒素-抗毒素系统进行程序性死亡的过程进行深入研究，以期揭示水华优势藻种细胞程序性死亡的分子和生理生化机制；并通过水华现场的检测与分析,探究细胞这种程序性死亡大规模启动的机制及其在水华消亡过程中所发挥的作用。这将有助于人们从藻细胞自身编程死亡的全新角度来探讨铜绿微囊藻水华防治的途径，从而及时有效防止水华爆发或使已爆发的水华提前消亡，以避免或减轻水华灾害。

本项目确定了水华消亡过程中，水体氮、磷营养耗尽和细菌、藻病毒优势生长等因素是引起铜绿微囊藻细胞死亡，导致水华消退的主要原因。确定了不同的环境因素诱导藻细胞死亡的方式不同、机理不同和藻毒素的释放量也不同。营养缺陷条件下藻细胞的死亡主要涉及类凋亡或类自噬死亡，以形成调亡小体或胞内降解自身结构和内含物为主，破裂释放的毒素较少。其中，氮缺陷条件下毒素-抗毒素MazF-MazE介导的死亡占主导地位，而在磷缺陷条件下，毒素-抗毒素HigB–HigA系统在细胞死亡中发挥更为重要的作用。对MazF-MazE介导死亡的特性进行了研究，分离得到了5个MazF的相互作用蛋白，明确了MazF发挥死亡仲裁者的作用。而细菌和病毒可通过菌藻互作和病毒入侵引起藻细胞以细胞破裂释放内含物的形式死亡，这种死亡能促使水体中毒素激增，导致其他生物中毒或死亡，易造成生态安全问题。此种形式的死亡类似于真核细胞的坏死性死亡，是由3种调控渗透作用的蛋白引发，而毒素和抗毒素系统在这种藻细胞死亡过程中并不发挥主要作用。本项目建立了原核细胞不同死亡方式的检测方法和技术体系，明确了多种环境因素诱导藻细胞死亡的不同机理和对环境造成的不同程度的生态安全问题。对不同条件下藻细胞死亡机制的阐明有利于我们对铜绿微囊藻水华生消过程中所造成的生态安全问题进行正确评估和合理干预与治理，将水华所造成的危害程度降至最低。本着安全无毒治理铜绿微囊藻水华的原则，我们筛选获得了一株能絮凝藻细胞的菌株，该菌株能在短时间内通过电中和快速无损地沉降藻细胞而使水华消退，且对水体不造成生态污染，属于安全、无毒的生物絮凝治理水华的方法。另外，在研究水华进程时，我们还发现了铜绿微囊藻细胞能分泌一种具有悬浮功能的蛋白，该蛋白对于藻细胞上浮聚集形成水华具有重要的作用，可用于水华监测预警和治理。该蛋白的发现突破了传统认为藻细胞上浮是由气囊决定的观念，创新性地补充了传统关于细胞上浮的气囊理论。