棕鞭毛虫清除有毒微囊藻对环境因素的综合响应及其降解藻毒素机制的研究

Cyanobacteria blooms represented by toxic Microcystis outbreak frequently with greatly harmful influences on aquatic ecosystem. Mixotrophic protozoa Ochromonas can eliminate toxic Microcystis and degrade microcystins efficiently, therefore dredging the energy channels along food chains. However, how the Ochromonas eliminating toxic Microcystis responds to diversified ecological environments, and how the microcystins are degraded, remain unclear. The present project will expose the Ochromonas degrading microcystins to various abiotic and biotic environments, aiming to the key variables affecting the Ochromonas eliminating toxic Microcystis and degrading microcystins; reveal the degradation strategy of Ochromonas dealing with microcystins via the studies about whether the ability of Ochromonas degrading microcystins is inducible, degradation process location and so on. In addition, the variations in transcription, protein and metabolism levels in Ochromonas while degrading microcystins will be analyzed via the combination of multi-omics study, with the key genes, proteins, metabolites and molecular network for the microcystins degradation determined. The project will fully disclose microcystins degradation mechanism by mixotrophic protozoa, and will benefit the comprehensive understanding of interspecies relationship between Ochromonas and Microcystis.

以有毒微囊藻为代表的蓝藻水华频发暴发，严重危害水环境。混合营养型原生动物棕鞭毛虫Ochromonas能高效率清除有毒微囊藻并快速降解藻毒素，把有害藻类通过食物链化害为利从而疏通能量通道。但目前对棕鞭毛虫清除有毒微囊藻如何响应多样化生态环境尚缺乏系统认识，其如何降解藻毒素的机制也是亟待揭示的基础科学问题。本申请拟把棕鞭毛虫降解藻毒素能力置于多样化的生物和非生物因素中进行研究，明确影响棕鞭毛虫清除微囊藻降解藻毒素的关键环境因素；通过研究棕鞭毛虫降解藻毒素能力是否可诱导、降解过程定位分析等，明确棕鞭毛虫对藻毒素的降解策略；利用多组学研究揭示棕鞭毛虫降解藻毒素在转录、蛋白到代谢水平的差异性，确定棕鞭毛虫参与藻毒素降解的关键调控基因、蛋白、代谢物，探讨藻毒素降解的分子调控网络。通过本项目研究，将全面揭示混合营养型原生生物降解藻毒素的分子机制，并深刻认识混合营养型棕鞭毛虫与微囊藻之间的深层次种间关系。

全球气候变暖和水体富营养化加剧了蓝藻水华暴发，对水生态系统造成极大的危害。混合营养型原生动物棕鞭毛虫能高效率清除有毒微囊藻并快速降解藻毒素，从而有效疏通以有毒初级生产者为主的食物网中的物质和能量流动通道，降低有毒藻类造成的水体安全风险。但目前对原生动物控藻的环境效应及其解毒机制尚缺乏系统性的认识。对此，本项目（1）通过把棕鞭毛虫降解藻毒素能力置于多样化的生物和非生物因素中进行研究，发现以升温、CO2升高、水体氮磷含量波动、微塑料污染等为主的非生物环境因子均显著影响棕鞭毛虫清除有毒微囊藻和降解藻毒素效率，且不同非生物因子间存在复杂的耦合作用；绿藻等生物因子存在抑制了棕鞭毛虫摄食活性，延长了其清除微囊藻种群和降解藻毒素的时间，但最终随着微囊藻种群下降，绿藻种群逐渐增大并占据优势，表明棕鞭毛虫的食物选择性促使优势藻类种群由微囊藻向绿藻转变；（2）对棕鞭毛虫降解微囊藻毒素的策略分析发现，棕鞭毛虫降解藻毒素能力具有固有性，不同类型食物预适应对其降解藻毒素能力没有明显影响；降解过程定位研究表明棕鞭毛虫胞内粗酶液和胞外培养液并不能快速降解胞外可溶性藻毒素，藻毒素的降解过程是依赖于完整细胞内的一系列活性物质的生物代谢过程；虽然棕鞭毛虫能快速降解藻毒素，但这具有一定的生长代价；（3）棕鞭毛虫对藻毒素的耐受性与其胞内抗氧化活动和修复能力的增强以及胞外基质的增加有关；其对胞外藻毒素降解过程首先需要通过其细胞膜上的胆汁酸运输途径将胞外藻毒素转运至胞内；降解藻毒素过程主要依赖于细胞内溶酶体中的代谢活动，如ROS的强氧化作用，同时也与GST和GSH解毒过程有关。本项目系统探讨了棕鞭毛虫与有毒微囊藻种间关系对环境变化的综合响应，揭示了棕鞭毛虫耐受和降解藻毒素的策略及分子机制，为水华蓝藻的生物学防控提供重要的理论基础。