内陆和沿海蓝藻水华是我国面临的主要水生态环境问题之一，受人类活动影响，水体富营养化加剧、全球升温导致蓝藻水华持续扩张。植物抑藻化感物质是植物分泌的次生代谢产物，抑藻效果佳、靶标专一性强、可降解性好、生态危害较低，因此在藻华防控方面应用前景广阔。

2023年8月26日，浙江大学海洋学院肖溪教授课题组在Journal of Hazardous Materials 在线发表题为“Down-regulation of iron/zinc ion transport and toxin synthesis in Microcystis aeruginosa exposed to 5,4′-dihydroxyflavone”的研究论文，该研究采用转录组学和分子对接技术，探究化感物质5,4′-二羟基黄酮（DHF）的抑藻分子机制。率先发现抑制铜绿微囊藻Fe3+/Fe2+和Zn2+跨膜转运是DHF的重要抑藻机制。此外，DHF可能与锌转运系统ATP结合蛋白和亚铁转运蛋白A结合，进而影响蛋白功能，抑制藻类生长。

该研究选取我国蓝藻水华优势藻种铜绿微囊藻（FACHB-905）为研究对象，使用具有优异抑藻效果的DHF进行抑藻实验，利用转录组学技术，发现DHF显著抑制铜绿微囊藻与金属离子转运相关的基因表达，包括Fe3+/Fe2+和Zn2+（图1）。随后，对藻细胞内铁和锌元素含量进行定量检测，发现胞内铁和锌含量显著降低，证明DHF可以阻碍铜绿微囊藻Fe3+/Fe2+和Zn2+的跨膜转运。此外，借助分子对接技术模拟DHF与蛋白的结合情况，发现DHF与亚铁转运蛋白A和锌转运系统ATP结合蛋白的结合构象较为稳定（图2），说明DHF可能通过与蛋白结合，进而影响蛋白的正常功能，抑制藻类生长。因此，抑制金属离子跨膜转运是DHF抑藻的重要作用机制。

图1 差异表达基因富集分析结果。（a）KEGG富集分析结果，（b）GO富集分析结果

图2 DHF与关键蛋白对接结合模式图：（a）锌转运系统ATP结合蛋白、（b）亚铁转运蛋白A 和（c）微囊藻毒素合成McyC蛋白

进行光合作用的蓝藻对铁具有较大的需求。在蓝藻光合作用中，电子传递、色素合成等环节都需要铁元素，因此该研究进一步探究了DHF对铜绿微囊藻光合系统的影响。通过加入人工电子受体/供体、呼吸抑制剂等试剂，对DHF胁迫下铜绿微囊藻O2释放/消耗速率的进行分析以及JIP-test，发现含有较多Fe辅因子的光合系统II（PSII）、Cyt b6 /f、Fd-FNR复合体的电子传递受阻，光合作用效率显著降低（图3）。PSII活性的下降也与编码PSII反应中心D1蛋白基因转录下调有关。在DHF胁迫下，光合作用受损进一步加剧了铜绿微囊藻的死亡。

图3 DHF对铜绿微囊藻光合系统的影响。（a）OJIP曲线；（b）JIP-test 参数；（c）JIP-test 参数的雷达图；（d）光合系统相关基因的标准化转录丰度（FPKM）；（e）蓝藻光合系统电子传递链示意图，其中条形图为O2的释放/消耗速率。

此外，该研究发现DHF可以抑制编码铜绿微囊藻毒素合成相关基因mcyC的表达，并且与Mcy C蛋白具有较好的结合效果，导致胞内微囊藻毒素含量显著降低，因此，DHF具有降低产毒蓝藻对环境释放毒素的潜力。

图4 DHF抑藻分子机制图

综上，该研究采取转录组学和分子对接技术，阐释了DHF抑藻的主要分子机制为引发藻细胞Fe3+/Fe2+和Zn2+跨膜转运受限，为黄酮抑藻的实际应用提供了科学依据。

浙江大学在读博士研究生于舒淼为论文第一作者，浙江大学肖溪教授为通讯作者，中国科学院水生生物研究所毕永红研究员为论文共同作者。该研究得到了浙江省自然科学基金/杰出青年基金（LR22D06003）、自然资源部海洋生态监测与修复技术重点实验室（MEMRT202102）等资助。本研究中铜绿微囊藻藻株（Microcystis aeruginosa FACHB 905）来自国家水生生物种质资源库-淡水藻种库。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.132396

转自：“iNature”微信公众号

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