酸性礦山廢水（Acid mine drainage，AMD）是礦業(yè)活動(dòng)引發(fā)的典型環(huán)境問題，其含有的高濃度鋁離子具有極強(qiáng)生物毒性，嚴(yán)重破壞生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。然而，嗜酸衣藻 (Chlamydomonas sp. 1710) 展現(xiàn)出非凡的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在鋁濃度高達(dá) 1000 mg/L 的 AMD 湖泊中正常繁殖，但其耐受極端鋁脅迫的內(nèi)在機(jī)制長(zhǎng)期未被闡明。為揭示這一特殊適應(yīng)策略，本研究整合基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組及生理學(xué)多維度分析方法，系統(tǒng)比較了嗜酸衣藻 C. sp. 1710 與模式藻萊茵衣藻 (C. reinhardtii) 對(duì)鋁脅迫的響應(yīng)差異，為極端酸性環(huán)境的生態(tài)修復(fù)提供理論支撐。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種衣藻對(duì)鋁脅迫的耐受性存在顯著差異：萊茵衣藻在 30 mg/L 鋁濃度下生長(zhǎng)即完全被抑制，而嗜酸衣藻 C. sp. 1710 在 1000 mg/L 的高鋁脅迫下仍能保持 82% 的生長(zhǎng)率，充分證實(shí)其具備超強(qiáng)鋁抗性。進(jìn)一步機(jī)制解析表明，C. sp. 1710 通過三重協(xié)同策略構(gòu)建起全面的抗鋁防御體系。
首先是 “物理屏障防御”：通過合成富含羥脯氨酸糖蛋白和胼胝質(zhì)的特異性細(xì)胞壁，并大量分泌胞外多糖（EPS），形成致密的胞外防護(hù)層，從源頭阻止鋁離子與細(xì)胞表面結(jié)合，減少其跨膜進(jìn)入的通道。其次是 “主動(dòng)清除機(jī)制”：一方面上調(diào) ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ATP-binding cassette transporter）的表達(dá)，通過消耗 ATP 將胞內(nèi)鋁離子主動(dòng)外排；另一方面利用鐵蛋白和植物螯合素的強(qiáng)螯合能力，捕獲胞內(nèi)游離鋁離子，形成穩(wěn)定復(fù)合物以降低其毒性。此外，C. sp. 1710 的 “應(yīng)激修復(fù)系統(tǒng)” 被顯著激活，其抗氧化系統(tǒng)通過增強(qiáng)活性氧清除能力，減輕鋁離子引發(fā)的氧化損傷，同時(shí)蛋白修復(fù)途徑高效修復(fù)受損蛋白，維持細(xì)胞正常生理功能。
本研究首次系統(tǒng)揭示了嗜酸衣藻 C. sp. 1710 在極端高鋁環(huán)境中的三重抗性機(jī)制，不僅深化了對(duì)微生物極端環(huán)境適應(yīng)策略的認(rèn)知，更為酸性礦山廢水污染生態(tài)系統(tǒng)的生物修復(fù)提供了重要理論基礎(chǔ)和潛在功能菌株資源，為后續(xù)污染治理技術(shù)研發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。
原文鏈接：Resistance mechanisms of acidophilic?Chlamydomonas?sp. 1710 to aluminum stress: Insights from transcriptomics, proteomics and physiology
